Узор из краски с CaCO3-наполнителем на фоне обычной краски в оптическом и инфракрасном диапазонах
Li et al. / Cell Reports Physical Science, 2020
Ученые изготовили белую краску с наполнителем из микрометровых частиц карбоната кальция и пронаблюдали за поведением покрытия из такого вещества под лучами солнца. Оказалось, что краска отражает около 95,5 процента падающей энергии излучения и позволяет поверхности становиться на 1,7 градуса Цельсия холоднее окружающей среды в дневное время и до 10 градусов — в ночное. По словам авторов, если дальнейшие испытания подтвердят пригодность вещества для длительного использования в разных погодных условиях, краску можно будет применять для пассивного охлаждения зданий и наружных электрических систем. Исследование опубликовано в Cell Reports Physical Science.
Предметы кажутся белыми, если они равномерно и почти без потерь отражают падающую энергию излучения всех длин волн видимого диапазона. Такое свойство белого цвета делает его полезным для систем пассивного охлаждения: чтобы сократить энергопотребление кондиционеров, поверхности зданий окрашивают в светлые тона — в результате часть энергии света отражается в виде теплового излучения, и нагрев ослабевает.
Кроме того, кондиционеры просто отводят тепло из здания и, таким образом, повышают температуру окружающей среды, в то время как тепловое излучение ведет себя иначе. Длина волны тепловых фотонов, несущих основную часть всей испускаемой энергии, лежит вблизи определенного значения, которое задается температурой излучающего тела. Для типичных температур в условиях Земли это значение длины волны, как правило, лежит в инфракрасной области и попадает в окно прозрачности атмосферы (8–13 мкм) — диапазон длин волн, в котором фотоны распространяются в атмосфере практически без поглощения, а значит почти не нагревают воздух вокруг излучающего тела.
Ученые из Китая и США под руководством Сюлинь Жуань (Xiulin Ruan) из Университета Пёрдью изготовили и протестировали белую акриловую краску, 60 процентов объема которой было заполнено частицами карбоната кальция (CaCO3) со средней длиной около 1,7 микрометра и средним диаметром примерно 0,5 микрометра. При этом разброс размеров частиц составил около 20 процентов — согласно предсказаниям симуляций, такая неоднородность вещества позволяет эффективно рассеивать излучение различных длин волн солнечного спектра и за счет этого повышать долю отраженной энергии.
Чтобы изучить свойства вещества, авторы изготовили высушенный слой краски сантиметровой площади и толщиной около 0,4 миллиметра и поместили его в теплоизолирующую оболочку с прозрачным покрытием. Готовый образец исследователи расположили на открытом пространстве и на протяжении двух дней одновременно измеряли интенсивность падающего излучения пиранометром, а также температуру образца и окружающей среды при помощи термопар.
Даже при максимальном достигнутом уровне интенсивности освещения (около 963 ватт на квадратный метр) поверхность краски была холоднее окружающей среды примерно на 1,7 градуса Цельсия, а в ночное время этот показатель достигал отметки в 10 градусов Цельсия. При этом образец отражал примерно 95,5 процента падающей на него солнечной энергии — это не рекордный показатель, однако существенно превосходит типичные значения для белых красок массового производства (80–90 процентов).
Результаты испытаний краски с CaCO3-наполнителем. Сверху — график зависимости температуры окружающей среды и образца от времени (на фоне показан уровень солнечной интенсивности). Снизу — сравнение с краской массового производства в видимом и инфракрасном диапазоне
Li et al. / Cell Reports Physical Science, 2020
Кроме того, ученые сравнили свойства своей краски со свойствами обычной, изготовив образец постоянной толщины, на котором краской с добавлением CaCO3 нарисовали «P» на фоне стандартной краски почти того же цвета. В видимом диапазоне символ был практически неразличим, однако в инфракрасном спектре изображение получалось гораздо более контрастным за счет разности температур порядка двух градусов Цельсия.
Авторы подчеркивают, что несмотря на простоту изготовления и эффективные оптические свойства, перед практическим внедрением краски необходимо дальнейшее исследование ее свойств. На результаты измерений могут критически повлиять погодные условия, а с точки зрения применения материала важна его долговечность — и то, и другое еще предстоит проверить.
Ранее мы рассказывали о том, как британская компания разработала краску для волос, способную менять цвет в зависимости от температуры, и о том, как американский химик изобрел стеклянную краску для металлических поверхностей, которая предохраняет их от перегрева и коррозии.
Николай Мартыненко