Ściana jest tutaj świetnym przykładem budowania czegoś inteligentnego tam, gdzie nikt się nie spodziewa. Przez większość historii budownictwa zależało nam przede wszystkim na tym, żeby stała, podtrzymywała oraz możliwie skutecznie ograniczała wymianę ciepła z otoczeniem. Co jednak stałoby się, gdyby mogła również przejąć jego nadmiar w najcieplejszej części dnia, przechować energię przez kilka godzin, a potem oddać ją wieczorem? Bez przewodów, sprężarek i dodatkowego zbiornika. Właśnie nad takim materiałem pracują badacze z Uniwersytetu Texas A&M.
Salogel zamienia ciepło w coś, co można przechować
Materiał nazwano “salogelem” i na pierwszy rzut oka nie wygląda szczególnie futurystycznie. Mamy tutaj bowiem sieć polimerową połączoną z nieorganicznymi hydratami soli, czyli substancjami, które mogą magazynować duże ilości energii podczas zmiany swojego stanu. Kluczowe jest jednak tak zwane ciepło utajone. Kiedy odpowiednio dobrany hydrat soli zaczyna się topić, to pochłania energię bez gwałtownego wzrostu własnej temperatury. Podczas ponownej krystalizacji proces zachodzi w drugą stronę i energia zostaje uwolniona.
Czytaj też: Most z drukarki 3D: Algorytm MIT rewolucjonizuje budownictwo, tnąc zużycie betonu o 76%
W praktyce fragment budynku wyposażony w taki materiał mógłby więc przyjmować część nadmiarowego ciepła w ciągu dnia, zamiast pozwalać mu od razu podnosić temperaturę pomieszczenia. Kilka godzin później, gdy otoczenie zaczęłoby się ochładzać, energia mogłaby wrócić. Sam pomysł naturalnie nie jest nowy. O materiałach zmiennofazowych pisałem już przy okazji magazynu ciepła wykorzystującego chitynę, a podobny kierunek pojawił się również przy drewnie zdolnym do magazynowania energii cieplnej. Problem od dawna pozostaje jednak ten sam. Substancja świetnie przechowująca energię musi również przeżyć tysiące zmian stanu skupienia i, mówiąc najprościej, nie wypłynąć ze ściany po pierwszym upalnym tygodniu.
Hydraty soli są świetne, dopóki nie zaczynają sprawiać problemów
Hydraty soli mają kilka bardzo ważnych zalet. Potrafią przechowywać dużo energii w niewielkiej objętości, nie są łatwopalne i mogą być stosunkowo tanie. W opracowaniu badaczy z Texas A&M pojawiają się wartości dochodzące w tej klasie materiałów do około 450 MJ energii na metr sześcienny, czyli około 125 kWh/m3. Dla porównania typowe materiały wykorzystujące parafinę mogą osiągać około 200 MJ/m3. Różnica jest więc znacząca, ale sama gęstość energii niewiele nam daje, jeśli materiał po kilkudziesięciu cyklach zaczyna się rozwarstwiać, wyciekać albo przestaje krystalizować w przewidywalny sposób.
Czytaj też: Żywy cement magazynuje energię. Ta technologia już na zawsze zmieni budownictwo
Właśnie dlatego potrzebna jest sieć polimerowa. Ma ona utrzymywać hydrat soli w jednym miejscu, a jednocześnie nie odbierać mu najważniejszej właściwości, czyli zdolności do magazynowania energii poprzez topnienie i krystalizację. W jednym z wcześniejszych eksperymentów tej samej grupy hydrat soli odpowiadał za około 90% masy salogelu. Materiał zachował przy tym około 88-91% ciepła topnienia czystego hydratu, a po 50 cyklach nie wykazywał istotnego pogorszenia właściwości termicznych. Brzmi to wprawdzie dobrze, ale akurat przy tej liczbie warto zatrzymać się na dłużej.
Materiały budowlane mają działać przez lata, a najlepiej dekady. Jeśli bardzo umownie potraktujemy jeden dzień jako jeden pełny cykl nagrzania i wychłodzenia, to te 50 cykli odpowiada niespełna dwóm miesiącom pracy. Nie oznacza to oczywiście, że salogel rozpadnie się podczas 51. cyklu. Badanie po prostu na 50 cyklach się kończyło. Pokazuje to jednak, jak duża różnica istnieje między stwierdzeniem “materiał zachował właściwości podczas eksperymentu” a “możemy zamknąć go w ścianie domu i zapomnieć o nim na 30 lat”.
Czytaj też: Potęga drewna, o której nikt nie miał pojęcia. Czy ten materiał zrewolucjonizuje budownictwo?
Dochodzą do tego kolejne problemy, a jednym z najważniejszych pozostaje przechłodzenie. Hydrat soli może pozostać w stanie ciekłym również wtedy, kiedy jego temperatura spadnie poniżej teoretycznego punktu krystalizacji. W budynku byłby to problem, bo materiał przez cały dzień pochłania energię, a przychodzi chłodny wieczór, liczymy na odzyskanie ciepła, a nasz magazyn zwyczajnie nie rozpoczyna procesu krystalizacji. Badacze wykazali, że obecność polimerowej sieci wpływa na powstawanie kryształów i może częściowo ograniczać przechłodzenie, ale sami nie twierdzą, że problem został rozwiązany. W planach są dalsze prace nad właściwościami mechanicznymi, kontrolą krystalizacji oraz sposobami przetwarzania materiału.
Na razie nie mamy magicznej ściany obniżającej rachunki
Najnowsza publikacja naukowa, o której tutaj mówimy, ma charakter pracy typu “Perspective”. Zespół podsumowuje dotychczasowe badania, opisuje mechanizmy działania materiałów i wskazuje potencjalne kierunki rozwoju. Nie jest to więc raport z domu, którego ściany pokryto salogelem i w którym następnie zmierzono spadek zużycia energii o 20 czy 30 procent. Na dodatek nie wiemy też, jak dokładnie wyglądałaby forma komercyjnego zastosowania. Czy salogel trafiłby do płyt budowlanych? Między warstwy ściany? Do osobnych paneli termicznych? A może najpierw znajdzie zastosowanie zupełnie gdzie indziej?
Coś czuję, że na ściany magazynujące w dzień ciepło i oddające je nocą jeszcze trochę poczekamy. Pięćdziesiąt udanych cykli laboratoryjnych zdecydowanie nie wystarcza, żeby zacząć wznosić z salogelu osiedla. Sam kierunek pokazuje jednak coś znacznie ciekawszego – materiały budowlane przyszłości mogą przestać być wyłącznie bierną barierą między wnętrzem domu a otoczeniem.
Źródła: ACS Applied Materials & Interfaces, Texas A&M University
