Теплое окно

Иллюстрация Петра Перевезенцева

Была недавно на Химическом факультете Санкт-Петербургского государственного университета (теперь это Институт химии СПбГУ), который расположен в Петергофе. В свое время здесь пытались построить университетский кампус. Строительство началось в 80-х годах. Построили два корпуса, после чего всё остановилось — пришли дикие 90-е. От идеи остались два одиноких корпуса в лесу, куда переехали физический и химический факультеты.

Строили по моде 80-х — с большими окнами, чтобы было много света. Действительно, света много. К тому же через эти панорамные окна открываются красивые виды соснового леса вокруг. Но есть одна проблема: зимой в этом корпусе очень холодно, температура не поднимается выше 15°С и никакое отопление не справляется, поэтому студенты и сотрудники учатся и работают в теплых свитерах и куртках. Вот вам и большие окна — всё дело именно в них. Хотя, честно говоря, корпус был построен тоже тяп-ляп.

Если посмотреть на тепловой (инфракрасный) портрет фасада современного многоэтажного здания зимой, то сразу станет ясно, что основные потери тепла происходят через окна — они на термограмме окрашены в густой красный цвет, стыки между панелями — в зеленый, а стены — в синий. Кстати, на здания приходится около 40% мирового потребления энергии, большая часть которой теряется через окна.

Так что прозрачные стеклянные стены в домах хороши для теплых стран и регионов. Для России, где очень много северных территорий, это не годится. Москва, кстати, не исключение. В Москве тоже хватает таких новомодных стеклянных домов, расходы на отопление которых просто разорительны. Нам, северянам, нужна другая архитектура. Или, может быть, другие стекла в окнах?

Ученые работают в этом направлении. Уже появились стеклопакеты, заполненные инертным газом (аргоном, криптоном, ксеноном). У этих газов более высокая плотность и вязкость по сравнению с воздухом, поэтому они хуже проводят тепло и замедляют передачу тепла через окно. Кроме того, они подавляют конвекционные потоки внутри стеклопакета, что тоже уменьшает перенос тепла. А заодно работают звукоизоляцией.

И вот — очередная инновация. Команда, возглавляемая А. Бхардваджем из Университета Колорадо в Боулдере, разработала новый класс оконных материалов на основе силиконовых полимеров. Они состоят из трехмерных сетей крошечных полисилоксановых трубок.

Для производства ученые использовали в качестве сырья метилтриметоксисилан (МТМС), а также различные добавки.

Метилтриметоксисилан

Изготовить материал, в сущности, просто. Все компоненты смешивают, выливают в форму и выдерживают при 55°С в течение 12–72 часов. Получается силиконовый гидрогель. Его надо промыть несколько раз, чтобы удалить поверхностно-активные вещества и растворители, а затем дать гелю высохнуть. В созданной таким образом мезопористой трубчатой пленке в конце концов остается только воздух внутри пор.

У нанотрубок, изготовленных таким образом, диаметр всего около 6 нанометров, а пространство между трубками составляет около 20–30 нанометров. Так что по формальным критериям этот материал относится к мезопористым. Размеры пустот в этом материале меньше длины вол солнечного света (380–780 нм), да и для движения свободных молекул воздуха места тоже очень мало.

Благодаря такой конструкции и точному геометрическому расположению трубок пленки, диски, изготовленные из этого гидрогеля, прозрачны и обладают высокой теплоизоляцией. Это связано с тем, что запертые молекулы воздуха практически не могут проводить тепло, а видимый свет практически не отражается от силикона и проходит через него. В связи с этими свойствами исследователи называют свое творение MOCHIs: мезопористые оптически прозрачные теплоизоляторы (Science).

Эксперименты подтвердили, что у нового материала исключительно низкая теплопроводность, всего 10–12 мВт/м·К (милливатт на метр на Кельвин) — это значительно меньше, чем теплопроводность неподвижного воздуха, которая составляет около 27 мВт/м·К. Так что изоляционные свойства этих окон сопоставимы с таковыми у стен домов. Кроме того, стекла более чем на 99% прозрачны и практически не пропускают дымку. Для сравнения: обычные стеклянные панели прозрачны лишь на 92%. Кроме того, пленка, встроенная в окна, подавляет звук, тем самым обеспечивая лучшую изоляцию внутренних помещений от шума, чем просто стекло.

Из нового материала можно делать оконные стекла, а можно помещать пленки между стеклами в стеклопакетах. А можно силиконовый гидрогель сделать матовым или нанести на него специальное покрытие, из-за чего материал начнет поглощать и удерживать солнечно тепло. Так что новый материал потенциально подходит и для солнечных тепловых установок, которые можно встраивать в окна, размещать на фасадах и получать дополнительное тепло для обогрева здания.