Осьминоги вдохновили ученых на создание «умных» окон

Они меняют прозрачность в зависимости от времени суток, сезона и погоды на улице.

Люди придумали строить дома и здания, чтобы меньше зависеть от погоды и окружающей среды. Однако поддержание комфортных условий внутри требует непрерывных расходов на освещение, подогрев или охлаждение. По данным за 2021 год, на них приходится 30 процентов всей потребляемой в мире энергии, что создает около четверти всех выбросов парниковых газов. А продолжающееся глобальное потепление лишь увеличивает эти показатели.

Основными каналами, через которые здания нагреваются в жару и охлаждаются на холоде, служат окна. Они пропускают лучи разных диапазонов волн, и вместе со светом тепло неизбежно проникает внутрь — или теряется впустую, уходя на улицу. Поэтому ученые и инженеры стараются создать более технологичные стекла, которые не мешали бы естественному освещению, но вместе с тем блокировали бы другие виды излучения. Например, они могут автоматически затемняться на ярком свету.

Однако такие решения недостаточно гибки, и в идеале окно должно гибко менять пропускную способность. Такое окно может становиться прозрачным лишь для определенных волн, подстраиваясь под условия, чтобы обеспечить и нужную освещенность, и минимальные потери энергии. Именно такое решение продемонстрировала недавно команда из канадского Университета Торонто, статья которых опубликована в журнале PNAS.

Бенджамин Хаттон (Benjamin Hatton) и его коллеги продемонстрировали прототип из прозрачного пластика, между слоями которого заключена сеть трубочек диаметром около миллиметра. Сквозь них прокачивается жидкость с пигментами, делающими «стекло» непрозрачным для определенного диапазона излучения. В «окне» используются несколько таких слоев, в каждом из которых — свой пигментный раствор с собственными характеристиками. Контролируя течение жидкости в них, можно менять пропускные способности всей системы.

По словам ученых, такое решение позаимствовано у природы. Точнее говоря, у кожи осьминогов, знаменитых своей способностью менять окраску. Это достигается за счет многослойной структуры, содержащей заполненные пигментом клетки-хроматофоры. Их «настройка» позволяет менять характеристики поглощения и отражения излучения, гибко меняя вид и окраску животного.

Исходя из характеристик, полученных по результатам испытания прототипа, авторы подсчитали потенциальный экономический эффект от использования таких «окон». По этим оценкам, даже однослойная система, контролирующая прохождение волн ближнего ИК-диапазона, позволит снизить расходы на отопление и охлаждение на 25 процентов. А если к ней добавить слой, отвечающий за излучение видимого диапазона, то экономия может достичь уже 50 процентов.