Los edificios dedican más del 30% de su uso de energía a los sistemas de calefacción, refrigeración e iluminación. Los diseños pasivos, como las pinturas frías para techos, han contribuido en gran medida a reducir este uso y su impacto en el medio ambiente y el clima, pero tienenUna limitación clave: generalmente son estáticos y, por lo tanto, no responden a los cambios diarios o estacionales.
Los investigadores de Columbia Engineering han desarrollado recubrimientos de polímeros porosos PPC que permiten formas económicas y escalables para controlar la luz y el calor en los edificios. Aprovecharon la capacidad de conmutación óptica de los PPC en las longitudes de onda solares para regular el calentamiento solar y la luz natural, y extendieronconcepto de longitudes de onda infrarrojas térmicas para modular el calor irradiado por los objetos. Su trabajo se publica el 21 de octubre de 2019 por julio .
"Nuestro trabajo muestra que al humedecer los PPC con líquidos comunes como alcoholes o agua, podemos cambiar reversiblemente su transmitancia óptica en las longitudes de onda solar y térmica", dice Jyotirmoy Mandal, autor principal del estudio y ex estudiante de doctorado en el laboratoriode Yuan Yang, profesor asistente de ciencia e ingeniería de materiales. "Al poner tales PPC en paneles huecos de plástico o vidrio, podemos hacer sobres de construcción que puedan regular la temperatura y la luz interior".
El diseño del equipo es similar a las ventanas inteligentes, pero con una mayor capacidad de conmutación óptica, y está construido con materiales más simples y económicos que podrían hacer que sea implementable a grandes escalas. Se basa en trabajos anteriores que demostraron un recubrimiento de fluoropolímero similar a la pintura con nanovacíos de aire a microescala que pueden enfriar edificios. Sin embargo, ese revestimiento era estático. "En lugares como Nueva York, que ve veranos cálidos e inviernos severos, los diseños que pueden cambiar entre los modos de calefacción y refrigeración pueden ser más útiles", diceYang.
El equipo comenzó su trabajo para cambiar ópticamente los PPC por casualidad, cuando Mandal notó que algunas gotas de alcohol derramadas en un fluoropolímero blanco PPC lo volvieron transparente ". Lo que vimos fue el mismo mecanismo que hace que el papel se vuelva translúcido cuando se humedece, peroen un nivel casi óptimo ", dice Mandal." La física de esto ha sido explorada previamente, pero el cambio drástico que vimos nos llevó a explorar este caso particular y cómo se puede usar ".
Un material poroso como el papel aparece blanco porque el aire en los poros tiene un índice de refracción diferente ~ 1 al del material poroso ~ 1.5, lo que hace que se dispersen y reflejen la luz.un índice de refracción ~ 1.33 más cerca del material, la dispersión se reduce y pasa más luz, haciéndola translúcida. La transmisión aumenta cuando los índices de refracción se ajustan estrechamente. Los investigadores descubrieron que su fluoropolímero ~ 1.4 y sus alcoholes típicos ~1.38 tienen índices de refracción muy cercanos.
"Entonces, cuando se humedece, el polímero poroso se vuelve ópticamente homogéneo", dice Yang. "La luz ya no se dispersa y atraviesa, al igual que lo haría a través de un vidrio sólido, el polímero poroso se vuelve transparente".
Debido a la combinación casi perfecta del índice de refracción de los alcoholes y el fluoropolímero, el equipo pudo cambiar la transmitancia solar de sus PPC en ~ 74%; para la parte visible de la luz solar, el cambio fue de ~ 80%. Aunque el cambioes más lento que en las ventanas inteligentes típicas, los cambios de transmitancia son considerablemente más altos, lo que hace que los PPC sean atractivos para controlar la luz del día en los edificios.
Los investigadores también investigaron cómo se podría usar la conmutación óptica para la termorregulación. "Nos imaginamos techos que son blancos durante el verano para mantener los edificios frescos, y se vuelven negros durante el invierno para calentarlos", dice Yang, "Esto puede reducir en gran medida el aire-acondicionamiento y calefacción de los edificios "
Para probar su idea, los investigadores colocaron paneles que contenían PPC en casas de juguete con techos negros. Un panel estaba seco y reflectante, mientras que el otro estaba húmedo y translúcido, mostrando el techo negro debajo. Bajo la luz del sol el mediodía de verano, el blancoel techo se volvió más frío que el aire ambiente en ~ 3˚C / 5˚F, mientras que el negro se volvió mucho más caliente, en ~ 21˚C / 38˚F.
El equipo también exploró el cambio en las longitudes de onda infrarrojas térmicas y observó un cambio novedoso entre los estados de "invernadero" a "invernadero" al humedecer los PPC de polietileno transparentes al infrarrojo. Cuando están secos, los PPC de polietileno poroso reflejan la luz solar pero transmiten calor irradiado, comportándosecomo un "invernadero". Mojar los PPC hace que transmitan la luz solar y, debido a que los líquidos típicos absorben las longitudes de onda térmicas, bloquean el calor irradiado, como un invernadero. Debido a que modulan tanto la radiación solar como la térmica, pueden regular el calor tanto de día como de noche.
"Aunque se obtiene simplemente, la transición es bastante inusual en comparación con la conmutación en otros sistemas ópticos, y es quizás la primera vez que se informa", dice Mandal.
El equipo de Yang también probó otras aplicaciones potenciales, como el camuflaje térmico y las pinturas que responden a la lluvia. Este último podría usarse para enfriar o calentar edificios en zonas climáticas mediterráneas y en la costa californiana, que ven veranos secos e inviernos lluviosos. Los investigadoresahora están buscando formas de escalar sus diseños y explorar oportunidades para implementarlos y probarlos a grandes escalas.
"Dada la escalabilidad y el rendimiento de los diseños basados en PPC, esperamos que sus aplicaciones se difundan", dice Yang, "en particular, estamos entusiasmados con sus aplicaciones potenciales en la construcción de fachadas".
Mandal, quien ahora está haciendo investigación posdoctoral como investigador científico de Schmidt en la Universidad de California, Los Ángeles, agrega: "Elegimos deliberadamente polímeros comúnmente disponibles y diseños simples para nuestro trabajo. El objetivo es hacerlos localmente fabricables e implementablesen los países en desarrollo, donde tendrían el mayor impacto "
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Escuela de Ingeniería y Ciencias Aplicadas de la Universidad de Columbia . Original escrito por Holly Evarts. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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