Новый строительный материал, вдохновленный биологией животных, позволяет стенам, полам и потолкам пассивно регулировать свою температуру, открывая новые возможности для устойчивой архитектуры в экстремальных климатических условиях.
В дни сильной жары есть что-то почти гипнотическое в том, чтобы наблюдать, как слон машет своими огромными ушами. Это не просто величественный жест — эти уши пронизаны кровеносными сосудами, которые помогают отводить лишнее тепло тела. Кролики и другие животные разработали аналогичные решения, используя внутреннюю циркуляцию для регулирования своей температуры. Эта эволюционная мудрость, которая кажется такой далекой от мира цемента и бетона, послужила источником вдохновения для группы инженеров, стремящихся переосмыслить то, как мы строим наши здания.
Группа исследователей из Университета Дрекселя разработала новый тип строительного материала, который имитирует сосудистую сеть ушей пустынных слонов и зайцев. В исследовании, опубликованном в Journal of Building Engineering, предлагается встроить в бетон каналы, заполненные материалами с фазовым переходом, что позволяет поверхностям зданий автономно и пассивно регулировать свою температуру. Концепция проста и действенна: использовать принципы биологии для повышения энергоэффективности конструкций.
От уха до уха: естественное вдохновение для решения городских задач
Современная архитектура сталкивается с серьезной проблемой: более 60 % потерь тепловой энергии в зданиях происходит через их конструктивные поверхности. Хотя достижения в области изоляции были значительными, стены, потолки и окна остаются слабыми местами, когда дело доходит до поддержания комфортной температуры в помещении. Столкнувшись с этой проблемой, команда Drexel решила взглянуть на природу.
В рамках проекта была смоделирована сосудистая сеть определенных видов животных, таких как слоны и кролики, которые регулируют температуру своего тела с помощью механизмов расширения сосудов и сужения сосудов. В частности, исследователи сосредоточились на том, как определенные анатомические структуры увеличивают площадь поверхности теплообмена для эффективного охлаждения организма. Этот принцип был адаптирован к архитектурному масштабу путем встраивания внутренних каналов в цементирующие материалы.
Суть эксперимента: материалы, которые дышат, как кожа
В основе исследования лежала разработка того, что они назвали VASCI (сосудистые саморегулирующиеся цементирующие композиты), нового класса строительных материалов, способных саморегулировать свою температуру. Для этого ученые создали сеть внутренних каналов с использованием растворимого полимера, который растворяется, не повреждая цементную матрицу. Эти каналы были заполнены материалами с фазовым переходом (МФП), такими как парафин, которые, как известно, поглощают и выделяют тепло при переходе из жидкого в твердое состояние и наоборот.
Как объясняется в статье, «во время фазовых переходов МФП наблюдалось постепенное автономное выделение тепла», что позволяет повышать температуру во время холодных циклов и поглощать тепло в жаркие. Таким образом, для активации системы не требуются электрические или механические системы: она просто естественным образом реагирует на тепловую среду.
Дизайнеры, которые учатся на физиологии
Команда протестировала различные конфигурации каналов: параллельные, перпендикулярные, диагональные и ромбовидные. Наиболее эффективным дизайном был ромбовидный узор, которому удалось сбалансировать прочность конструкции с тепловым КПД, снизив скорость нагрева и охлаждения поверхности примерно до 1-1,25 ° C в час.
Дело было не только в замедлении перепадов температур. Цель состояла в том, чтобы материал сохранил свою структурную целостность. С этой целью было показано, что добавление мелких заполнителей в цемент повышает его прочность, не влияя на тепловую функцию каналов. Кроме того, в исследовании подчеркивается, что более узкие каналы с меньшим диаметром, чем у заполнителя, снижают негативное влияние на механическую прочность.
Термические испытания с многообещающими результатами
Испытания включали инфракрасную термографию в реальном времени, чтобы наблюдать, как меняется температура на поверхности образцов с каналами и без них. Разница была очевидна: зоны с МФП эффективно реагировали на тепло окружающей среды, смягчая скачки температуры и создавая своего рода «тепловую подушку». Напротив, эталонные образцы без каналов не показали какой-либо пассивной терморегуляции.
Исследователи разработали тепловой индекс для количественной оценки производительности: чем больше площадь каналов и объем МФП, тем лучше способность материала поддерживать стабильную температуру.
Применения и ограничения
Хотя эта работа все еще носит исследовательский характер, система уже демонстрирует явные преимущества с точки зрения устойчивости. Материал не требует внешнего источника питания, его можно масштабировать и адаптировать к различным климатическим условиям —просто изменив тип МФП. Как отмечают авторы исследования: «сеть каналов позволяет использовать МФП в зависимости от экологических потребностей».
Будущие направления исследований включают использование других материалов с фазовым переходом, тестирование в реальных условиях и внедрение методов 3D-печати для создания более сложных и эффективных каналов. Также будет оценена долгосрочная долговечность системы, а также ее экономическая целесообразность в крупномасштабных строительных проектах.
Помимо технических инноваций: смена парадигмы
Этот проект — больше, чем постепенное улучшение. Он представляет собой новый способ понимания строительных материалов не только как пассивных изолирующих элементов, но и как активных компонентов, взаимодействующих с окружающей средой. Имитация теплового интеллекта живых существ в инертных материалах может показаться научной фантастикой, но это исследование доказывает, что это вполне достижимо с помощью современных технологий.
Ставка на саморегулирующиеся материалы — это не просто технический прорыв. Это способ переосмыслить наши отношения с искусственной средой, делая ставку на решения, которые не требуют больше энергии, а работают с ней. Точно так же, как слоны усовершенствовали свои уши, чтобы пережить африканскую жару, архитектура будущего могла бы извлечь уроки из биологии, чтобы создавать более эффективные, комфортные и устойчивые пространства.
Источник: doi.org/10.1016/j.jobe.2025.112878
