Сегодня на работу систем охлаждения помещений приходится приблизительно 20 процентов мирового потребления электроэнергии. С увеличением парниковых выбросов растет и температура воздуха в мегаполисах по сравнению с пригородами: бетон и асфальт поглощают солнечную энергию, отдавая ее в виде тепла и не остывая даже ночью, а отработанное тепло от двигателей машин, промышленных установок и систем кондиционирования только усугубляет ситуацию.
Чтобы остановить «нагревание» территорий, ученые ищут способы их пассивного охлаждения. Эти решения опираются на естественные механизмы рассеивания тепла, такие как конвекция, радиация или теплопроводность, и не требуют применения вентиляторов или чего-то еще, что требует расхода электроэнергии.
Одно из эффективных решений предложили исследователи из Сингапура, Китая и Саудовской Аравии в своей работе в журнале Science. Они скомбинировали радиационный метод охлаждения (отражение солнечных лучей и излучение тепла в окружающую среду) и охлаждение за счет испарения воды. Обычно коммерческие краски выпускают с расчетом только на первый способ защиты от жары, что неэффективно в регионах с высокой влажностью. Там водяной пар поглощает излучение, удерживая тепло у поверхности земли, что повышает температуру воздуха на прилегающей к зданию территории.
Кроме того, система радиационного охлаждения «работает», если материал обращен к небу: тепло, поглощаемое из здания, излучается в инфракрасных волнах в космос. Они проходят через атмосферу и не поглощаются, составляя «атмосферные окна прозрачности». Но как же быть с боковыми стенами зданий? Покрытие из новой краски, нанесенное на материал со всех сторон, впитывает жидкость из дождя и атмосферную влагу, после чего медленно испаряет воду, как человеческая кожа, уменьшая тем самым нагрев поверхности.
Способствует удержанию воды ненабухающая пористая структура, состоящая из гидросиликата кальция (C-S-H гель) — это основа прочности и долговечности цементного камня. В гельцементный состав с нанодобавками разработчики также включили полимеры и гигроскопическую соль, чтобы он сохранял влагу и не растрескивался.
Испытание ученые провели на трех одинаковых домиках (50 × 40 × 70 сантиметров), построенных из промышленных бетонных блоков толщиной 10 сантиметров. Один покрыли своей инновационной краской, второй — коммерческой с эффектом охлаждения, а третий — обычным белым составом. На протяжении всего эксперимента первый дом поддерживал самую низкую температуру внутри помещения, оставаясь более чем на 4,5 градуса Цельсия холоднее, чем другие. Более низкая температура боковой стенки сохранялась благодаря испарительному охлаждению.
Для количественной оценки экономии энергии исследователи нанесли все три покрытия на жилые бетонные дома, оборудованные кондиционерами и счетчиками электроэнергии. В течение трех дней эксперимента CCP-30 продемонстрировала экономию энергии на кондиционирование от 30 до 40 процентов по сравнению с другими красками как в солнечную, так и в дождливую погоду, то есть при высокой влажности.
Месячное тестирование тоже подтвердило, что краска экономит до 40 процентов электроэнергии, те же результаты ученые получили спустя два года. Испытания также показали, что CCP-30 позволяет отражать 88-92 процента солнечного света, излучать 95 процентов тепла в виде инфракрасного излучения и удерживать около 30 процентов своего веса в воде.