Молодая компания Heliotrope Technologies, созданная на базе Национальной лаборатории им. Лоуренса в Беркли, разработала прозрачный материал для энергосберегающих окон нового поколения. Он позволяет отделить свет от тепла, раздельно регулируя естественное освещение и нагрев помещений.

Сегодня около трети всей энергии в многоквартирных домах тратится на поддержание оптимальной температуры и освещения внутри жилых помещений. Сквозь стекло обычного окна проходит как видимый свет, так и нагревающее инфракрасное излучение. Именно последнее вызывает избыточный нагрев квартир солнцем летом и обусловливает значительные потери тепла зимой. Тепло от радиаторов системы отопления и других источников частично покидает дом в виде того же инфракрасного излучения.

Новый материал для умных окон способен селективно пропускать свет в заданном диапазоне длин волн, разделяя таким образом видимый свет и лучистое тепло. Первые образцы переданы строительным компаниям для практической оценки эффективности.

"Умное" окно разделяет свет и тепло, переключаясь между тремя режимами (изображение: Anna Llordés, Lawrence Berkeley National Lab.
«Умное» окно разделяет свет и тепло, переключаясь между тремя режимами (изображение: Anna Llordés, Lawrence Berkeley National Lab).

Теоретически окна из такого материала будут дешевле и эффективнее, чем используемые сейчас методы напыления на внутреннюю сторону стеклопакета микрослоя из частиц, эффективно отражающих в ИК-диапазоне.

По расчётам специалистов Национальной лаборатории возобновляемой энергии замена остекления в зданиях на такие «умные» окна позволит США сэкономить за год примерно 5% электроэнергии, или около 174 млрд кВт•ч в абсолютных числах. На долю США сегодня приходится примерно пятая часть всей вырабатываемой в мире электроэнергии, поэтому цифры и получаются столь внушительными.

Энергосберегающие окна существуют давно — правда, реализованы они несколько иначе и не получили широкого распространения. Дело в том, что первоначальные затраты на их изготовление тоже весьма значительны даже на фоне ожидаемой экономии. Далеко не все потенциальные заказчики заинтересованы в них из-за длительного срока окупаемости.

Различные технологии управления свойствами прозрачных материалов тоже существуют не первый год, но обходятся ещё дороже. В зависимости от физических принципов реализации степень светопропускания может меняться при помощи самого света (вспомните очки-«хамелеоны»), тепла или разницы потенциалов. Соответственно, говорят о фотохромных, термохромных или электрохромных стёклах.

Разработка Heliotrope Technologies относится к последнему типу. Созданное стекло способно переключаться между тремя режимами: а) полностью прозрачным по всему диапазону видимого и ИК-света; б) прозрачным для видимого света и частично отражающим в ИК-части спектра; в) непрозрачным как визуально, так и для теплового излучения.

Образец электрохромного стекла (фото: Anna Llordés, Lawrence Berkeley National Lab.)
Образец электрохромного стекла (фото: Anna Llordés, Lawrence Berkeley National Lab).

Первый вариант используется для одновременного освещения и нагрева помещения в тёплую погоду. Второй и третий интересны жарким летом, поскольку позволяют дозировать тепло и свет, не вынуждая занавешивать окна днём.

В схожем направлении работает другая группа исследователей из Калифорнийского университета. Созданные ими полимерные солнечные панели достаточно прозрачны и поглощают в основном ультрафиолетовое излучение, пропуская более 2/3 видимого света.

С учётом их исключительно малой толщины прозрачные солнечные панели могут стать органичным дополнением к «умным» окнам, превращая их в полностью самодостаточные и действительно энергоэффективные.

Сами электрохромные стёкла от Heliotrope Technologies тратят энергию кратковременно и только на переключение состояния. По сравнению с большинством других «умных» окон разница примерно такая же, как между TFT- и E-Ink-дисплеями.

Технически они состоят из двух прозрачных электродов, а эффект тонирования достигается за счёт изменения разницы их потенциалов.

Похожую разработку представила недавно исследовательская группа Milliron, занимающаяся химией коллоидных нанокристаллов на базе Калифорнийского университета в Беркли. Однако в её варианте использовались дорогие материалы, такие как ниобий, а также нанокристаллы оксида индия и олова.

Соучредитель и президент Heliotrope Technologies Джейсон Холт не спешит раскрывать детали, но утверждает, что его команда нашла способ реализовать подобный механизм с помощью более дешёвых материалов и менее затратных технологий:

«Именно более низкая себестоимость — тот фактор, который позволит наконец вывести “умные” окна на рынок. Если вы говорите об экономии, то ориентироваться при их производстве надо на цены обычных стеклопакетов».

Расчётная цена окна при использовании стеклопакетов Heliotrope Technologies сейчас получается почти вдвое ниже, чем при установке энергосберегающих вариантов от таких ведущих производителей, как View и Sage. Холт объясняет это относительной простотой изготовления:

«В отличие от них, нам не требуются дорогостоящие установки и ресурсоёмкие методы вроде вакуумного напыления».

Перейти на промышленный уровень и начать выпуск пробных партий Heliotrope Technologies намерена в течение ближайших трёх лет. Первыми на рынке появятся «решения малого формата» — окна небольшого размера, автомобильные стёкла и зеркала.

Среди первых клиентов компания видит не частных лиц, а крупные строительные и автомобильные компании, работающие над новыми проектами.