CC BY
18
Одним из решений энергетической эффективности зданий являются умные окна. В нашей стране технологию их изготовления разрабатывает команда под руководством заведующего лабораторией «Материалы и технологии ЖК-устройств» Института химии новых материалов НАН Беларуси, кандидата физико-математических наук Александра МУРАВСКОГО, который рассказал журналу об особенностях разрабатываемого продукта и перспективах его применения.
- Александр Анатольевич, давайте начнем с названия. Почему «умные окна» и какие проблемы они призваны решать в системе умного дома?
- Для любого научного задания необходимо рабочее название, для удобства оно должно быть кратким. Изначально в 2017 г. для выставки в Саудовской Аравии мы создали тематический образец в виде 6-миллиметрового стекла, демонстрирующий наши наработки по многослойным оптическим системам. Выставочный образец назывался «Прозрачная
система для отражения теплового солнечного излучения» и вызвал живой интерес у хозяев выставки. В дальнейшем мы решили остановиться на наиболее доступном термине «умные окна», который охватывает новейшие решения, связанные с энергоэффективностью окон. Среди них - активные, требующие управляющего питания, например электроуправля-емые окна (затемняемые - просветляемые либо переключаемые матовые - прозрачные и др. под действием приложенного напряжения) и пассивные, например
http://innOSfera.by | №11 (201) | Ноябрь 2019 | НАУКА И ИННОВАЦИИ 27
ТЕМА НОМЕРА
энергосберегающие, фотохром-ные, либо иные функциональные умные стекла, не потребляющие электроэнергию, что возможно реализовать с помощью вакуумного напыления либо жидкостного нанесения пленочных структур.
Самая главная функция окна -пропускать видимый свет. Но кроме него сквозь стекло проходит и тепло. Если пытаться улучшить тепловые свойства устанавливаемых сейчас стеклопакетов, увеличивая, например, количество слоев стекла, пропорционально станет ухудшаться их прозрачность. «Умные окна» помогают избежать подобных неудобств.
Для начала стоит отметить, что тепло бывает двух видов. Первое -инфракрасное излучение - тепло диапазоном от 5 до 20 мкм, излучаемое всеми телами, находящимися в помещении. Препятствием к его выходу наружу стало напыление специальных прозрачных проводящих слоев, например на основе серебра. Данная разработка известна как низкоэмиссионное, или ьстекло.
Второй вид тепла излучается солнцем. Широкий эмиссионный солнечный спектр, одновременно являясь источником дневного света, несет тепловой поток ближнего инфракрасного (БИК) излучения. Совокупность и дневная динамика спектрального состава солнца управляют циркадными ритмами человека, поэтому для комфорта внутри помещения очень важно иметь как можно больше солнечного света. Современные прозрачные материалы, широко применяемые сегодня в конструкции окон, отлично пропускают не только видимый свет, но и полностью - солнечное тепло в помещение, что ведет к нагреву.
- Как вы предлагаете решить проблему ненужного нагрева?
- По результатам исследования компании Siemens, даже Республика Беларусь, используя тепловые насосы, на охлаждение помещений тратит больше энергоресурсов, чем на нагрев, не говоря о странах с тропическим климатом, для которых избыток солнечного тепла является буквально катастрофой. Около 20% электроэнергии могут быть сэкономлены в случае применения пассивного решения и, как следствие, уменьшения кондиционирования помещений.
Мы решили разработать прозрачную пленку, препятствующую проникновению теплового солнечного излучения в помещение. При нанесении на окно она должна не поглощать, а отражать тепло, чтобы предотвращать нагрев помещения.
Наиболее интенсивный спектральный диапазон длин волн теплового солнечного излучения от 800 до 1400 нм, то есть до 1,4 мкм. Это ближний инфракрасный диапазон, от которого нужно защититься, чтобы избегать нагрева помещения. В этом диапазоне практически все стекла имеют «окно прозрачности», то есть у всех оконных стекол есть проблема пропускания излучения, мы стремились создать пленку, отражающую БИК-из-лучение. По функционалу наша пленка хорошо сочетается с уже существующими разработками, например с низкоэмиссионным i-стеклом, обладающим напылением, которое препятствует излучению 5-20 мкм.
В архитектурных решениях используют флоат-стекло, но мы предлагаем улучшить его
функционал с помощью нанесения дополнительного покрытия методом аэрозольного распыления или ламинирования готовой функциональной пленки с последующим запечатыванием в стеклопакет. Немалую роль в данном вопросе играет цена продукта. Наша лаборатория имеет большой опыт работы с анизотропными оптическими материалами, исследования в этом направлении проводит и лаборатория лесохимии нашего Института. Совместно мы создаем материалы, обладающие хи-ральностью - свойством измерять и вращать поляризацию света. Оказывается, если материал способен вращать поляризацию света так, что полный оборот соответствует длине волны, например 1 мкм, то оптически возможно и его селективное отражение, для чего необходимо применить комплекс оптических и анизотропных свойств. Жидкий кристалл - это всегда смесь набора материалов, в том числе анизотропных, и для того чтобы реализовать этот эффект, нам были нужны специальные хиральные добавки. Создать их удалось на основе продуктов лесохимии.
- В чем заключается их преимущество?
- В процессе классического химического синтеза образуются синтетические крутящие влево и вправо вещества, вероятность всегда 50 на 50. Нет так называемой стереоселективности, или оптической чистоты. Нам необходимо иметь возможность контролировать этот процесс. Соответственно, чтобы получить управляемую хиральность, правое и левое нужно разделить. Кроме того, что данный способ невероятно дорог,
28 НАУКА И ИННОВАЦИИ | №11 (201) | Ноябрь 2019 |
http://innosfera.by
ХИМИЧЕСКИЕ ТЕХНОЛОГИИ И НОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ
материала на выходе получается слишком мало. Поэтому мы воспользовались свойством природы, которая решила, что все растения - левокрутящие, то есть оптически чистые изначально, если не подвергать их дополнительным химическим процессам, которые приводят к формированию смеси изомеров по оптической чистоте - рацемату. В Институте разработаны эффективные хираль-ные добавки, а теперь на их основе создаются ЖК-элементы, обладающие свойствами селективного отражения в нужном диапазоне. Но их особенность заключается в необходимости отражения сразу нескольких диапазонов, решить которую можно лишь комбинацией слоев.
Также в перспективе для создания тепловых систем планируем модифицировать хираль-ность с помощью фотоуправляе-мых добавок, так как управление с помощью электрического поля не привело к желаемым результатам. В ходе экспериментов в лаборатории мы уже получили слой, в котором формируется градиент хиральности, и благодаря ему полоса селективного отражения расширяется, попадая в нужный диапазон. Все это требует согласования как режимов формирования, концентрации, так и режимов облучения и температур. Температура вызывает наибольшие сложности, так как в течение года в Беларуси мы наблюдаем абсолютно разные ее значения.
- На каком этапе находится ваша разработка?
- На данный момент мы ведем работу по созданию пленочного материала. Сделаны лабораторные макеты в виде жидкой системы. Так как это новый продукт
с большим экспортным потенциалом, из-за отсутствия готовых решений для создания непосредственно пленочного элемента большое количество оборудования нанесения, облучения и просто оснастки приходится буквально изобретать. Также создаем автоматические измерительные комплексы, пишем специальные компьютерные программы. Но никакая нейронная сеть не выйдет за рамки того, что известно человеку. Компьютер сделает интерполяцию, но ничего нового не предложит. Уникальность и креативность - это особенность ученых, способных видеть проблему и найти способы ее решения.
Многие вопросы, связанные с управлением светом, решаем с сотрудниками Центра светодиодных и оптоэлектронных технологий НАН Беларуси.
-При разработке материала важно понимать, где и насколько широко он будет использоваться. К чему привело изучение рынка на предмет востребованности вашего продукта?
- Исследование потенциальных рынков позволяет правильно расставить приоритеты и понять, что действительно важно в разработке. Для «умных окон» - это прозрачность, селективное отражение. Мы старались создать пленочное устройство той структуры, которая могла бы реализовывать-ся определенными технологическими методами, желательно без привлечения специального оборудования.
Например, разработанное нами селективное отражение позволяет, не прибегая к вакуумным процессам, вырезать одну полосу в определенном спектральном
диапазоне и создать специальный оптический режекторный фильтр, позволяющий дальтоникам видеть цвета. Мы хотим работать в этом направлении, чтобы повысить качество жизни людей, столкнувшихся с такой проблемой.
- Откуда пришла идея создания умных пленок?
- Мы всегда стараемся равняться на мировых лидеров, чтобы выполняемая нами работа была востребованной. В этом плане очень полезно изучать запросы крупных компаний. Это помогает сориентироваться и актуализировать свое исследование, а также найти различные варианты применения своего продукта. Концепция «умного дома» в мировом контексте энергоэффективности и борьбы за экологию занимает одну из лидирующих позиций. Консультации с архитекторами, занимающимися их строительством и придерживающимися концепции sustainable development - поддерживающего развития, помогли расставить приоритеты и сформулировать мотивационную часть. Ведь если работать в отрыве от практики, может получиться, что кто-то другой намного раньше найдет лучшее решение или уже разобрался с проблемой, которая тебе в данный момент не по зубам. И за это время конкурент поставит новые задачи и уйдет дальше, а ты останешься с потерянным временем и обесцененными наработками. Как в фундаментальной, так и в прикладной науке нужно быть на острие проблемы. Миру нужны инновации, и мы трудимся над этим.
Дарья ПРОНЬКО
http://innosfera.by
| №11 (201) | Ноябрь 2019 | НАУКА И ИННОВАЦИИ 29
