Per combattere il caldo estivo, gli uffici e gli edifici residenziali tendono ad aumentare l'aria condizionata, l'invio di bollette energetiche alle stelle. Infatti, si stima che i condizionatori d'aria utilizzino circa il 6% di tutta l'elettricità prodotta negli Stati Uniti, a un costo annuo di $ 29 miliardi di dollari, una spesa che è destinata a crescere man mano che il termostato globale sale.

Ora gli ingegneri del MIT hanno sviluppato una pellicola che respinge il calore che potrebbe essere applicata alle finestre di un edificio per riflettere fino al 70% del calore solare in arrivo. Il film è in grado di rimanere altamente trasparente sotto i 32 gradi Celsius, o 89 gradi Fahrenheit. Al di sopra di questa temperatura, dicono i ricercatori, il film funge da "sistema autonomo" per respingere il calore. Stimano che se ogni finestra rivolta verso l'esterno di un edificio fosse coperta da questo film, i costi energetici e di condizionamento dell'edificio potrebbero diminuire del 10%.

Il film è simile all'involucro di plastica trasparente, e le sue proprietà di rifiuto del calore provengono da minuscole microparticelle incorporate al suo interno. Queste microparticelle sono costituite da un tipo di materiale a cambiamento di fase che si restringe se esposto a temperature di 85 gradi Fahrenheit o superiori. Nelle loro configurazioni più compatte, le microparticelle conferiscono al film normalmente trasparente un aspetto più traslucido o satinato.

Applicato alle finestre in estate, il film poteva raffreddare passivamente un edificio pur lasciando entrare una buona quantità di luce. Nicola Zanna, professore di ingegneria meccanica al MIT, afferma che il materiale fornisce un'alternativa economica ed efficiente dal punto di vista energetico alle tecnologie delle finestre intelligenti esistenti.

"Le finestre intelligenti attualmente sul mercato o non sono molto efficienti nel respingere il calore del sole, o, come alcune finestre elettrocromiche, potrebbero aver bisogno di più potenza per guidarli, quindi pagheresti per rendere le finestre praticamente opache, " dice Fang. "Pensavamo che potesse esserci spazio per nuovi materiali ottici e rivestimenti, per fornire migliori opzioni di finestre intelligenti."

Fang e i suoi colleghi, tra cui ricercatori dell'Università di Hong Kong, hanno pubblicato i loro risultati sulla rivista Joule .

"Una rete in acqua"

Poco più di un anno fa, Fang ha iniziato a collaborare con i ricercatori dell'Università di Hong Kong, desiderosi di trovare modi per ridurre il consumo energetico degli edifici in città, soprattutto nei mesi estivi, quando la regione diventa notoriamente calda e l'uso dell'aria condizionata è al suo apice.

"Affrontare questa sfida è fondamentale per un'area metropolitana come Hong Kong, dove sono sotto una rigida scadenza per il risparmio energetico, "dice Zanna, riferendosi all'impegno di Hong Kong di ridurre il proprio consumo energetico del 40% entro il 2025.

Dopo alcuni rapidi calcoli, Gli studenti di Fang hanno scoperto che una parte significativa del calore di un edificio passa attraverso le finestre, sotto forma di luce solare.

"Si scopre che per ogni metro quadrato, circa 500 watt di energia sotto forma di calore vengono introdotti dalla luce solare attraverso una finestra, " dice Fang. "E 'equivalente a circa cinque lampadine."

Zanna, il cui gruppo studia le proprietà di diffusione della luce di piante esotiche, materiali a cambiamento di fase, si chiedeva se tali materiali ottici potessero essere modellati per finestre, per riflettere passivamente una parte significativa del calore in ingresso di un edificio.

I ricercatori hanno esaminato la letteratura alla ricerca di materiali "termocromici", materiali sensibili alla temperatura che cambiano temporaneamente fase, o colore, in risposta al calore. Alla fine sono atterrati su un materiale costituito da microparticelle di poli (N-isopropilacrilammide)-2-amminoetilmetacrilato cloridrato. Queste microparticelle assomigliano a minuscole, trasparente, sfere ricoperte di fibre e sono riempite d'acqua. A temperature di 85 F o superiori, le sfere essenzialmente spremono tutta la loro acqua e si restringono in stretti fasci di fibre che riflettono la luce in modo diverso, trasformare il materiale traslucido.

"È come una rete da pesca nell'acqua, " dice Fang. " Ognuna di quelle fibre che fanno la rete, da soli, riflette una certa quantità di luce. Ma poiché c'è molta acqua incastonata nella rete, ogni fibra è più difficile da vedere. Ma una volta che hai spremuto l'acqua, le fibre diventano visibili."

In precedenti esperimenti, altri gruppi avevano scoperto che mentre le particelle rimpicciolite potevano respingere la luce relativamente bene, avevano meno successo nella schermatura contro il calore. Fang e i suoi colleghi si sono resi conto che questa limitazione dipendeva dalla dimensione delle particelle:le particelle utilizzate in precedenza si sono ridotte a un diametro di circa 100 nanometri, più piccolo della lunghezza d'onda della luce infrarossa, facilitando il passaggio del calore.

Anziché, Fang e i suoi colleghi hanno ampliato la catena molecolare di ciascuna microparticella, in modo che quando si restringeva in risposta al calore, il diametro della particella era di circa 500 nanometri, che Fang dice è "più compatibile con lo spettro infrarosso della luce solare".

Una distinzione di comfort

I ricercatori hanno creato una soluzione di microparticelle schermanti il ​​calore, che hanno applicato tra due lastre di vetro da 12 x 12 pollici per creare una finestra rivestita con pellicola. Hanno proiettato la luce di un simulatore solare sulla finestra per imitare la luce solare in arrivo, e scoprì che il film diventava gelido in risposta al calore. Quando hanno misurato l'irraggiamento solare trasmesso attraverso l'altro lato della finestra, i ricercatori hanno scoperto che il film era in grado di respingere il 70 percento del calore prodotto dalla lampada.

Il team ha anche rivestito una piccola camera calorimetrica con la pellicola che respinge il calore e ha misurato la temperatura all'interno della camera mentre irradiava la luce di un simulatore solare attraverso la pellicola. Senza il film, la temperatura interna riscaldata a circa 102 F - "circa la temperatura di una febbre alta, " Fang note. Con il film, la camera interna è rimasta a un più tollerabile 93 F.

"Questa è una grande differenza, " Fang dice. "Potresti fare una grande distinzione nel comfort."

Andando avanti, il team prevede di condurre più test del film per vedere se modificando la sua formula e applicandolo in altri modi potrebbe migliorare le sue proprietà di schermatura del calore.