Строительные материалы на основе древесины способны накапливать и отдавать тепло

Исследователи из Техасского университета в Далласе и их коллеги разработали и запатентовали материал на основе древесины, способный накапливать и отдавать тепло, что помогает сделать температуру в зданиях более комфортной без использования электроэнергии. Материал действует как тепловая батарея, которая заряжается, поглощая тепло, говорит доктор Шуан Цуй, доцент кафедры машиностроения в Инженерно-компьютерной школе имени Эрика Йонссона. Доктор Цуй является автором-корреспондентом исследования, описывающего представленные материалы, каковое исследование было опубликовано в декабрьском номере журнала Materials Today Energy в рамках специального выпуска «Перспективные молодые ученые 2025 года». По сообщению отдела по связям со СМИ, команда из Техасского университета в Далласе сотрудничала с исследователями из таких учреждений, как Национальная лаборатория возобновляемой энергии, недавно переименованная в Национальную лабораторию Скалистых гор, которая поддержала проект, а также Университет Колорадо в Боулдере, Национальная лаборатория имени Лоуренса в Беркли и Калифорнийский университет в Беркли.

Доктор Цуй, научный сотрудник и заслуженный профессор имени Юджина Макдермотта, занимает должность преподавателя в Национальной лаборатории Скалистых гор, где ранее работала постдокторантом и научным сотрудником.

Данный подход предполагает использование материалов с фазовым переходом, которые поглощают тепло при плавлении и выделяют его при затвердении. Подобные материалы потенциально могут быть использованы в гипсокартоне, напольных покрытиях или кровле для снижения потребления электроэнергии и повышения энергоэффективности.

Например, летом материал с фазовым переходом будет поглощать и аккумулировать тепло извне, что уменьшит повышение температуры в помещении, говорит доктор Цуй. Если в здании достаточное количество материалов с фазовым переходом, то включать кондиционер может и не потребоваться. Аккумулирование тепловой энергии представляет собой перспективный подход к управлению энергетическими нагрузками в зданиях.

Аккумуляторы тепловой энергии представляют собой решение, позволяющее использовать избыточное тепло из окружающей среды для последующего применения. Например, для хранения дневного тепла, что может обеспечить обогрев в холодное ночное время, говорит Бернадетт Магалиндан, аспирант по специальности «машиностроение» в лаборатории доктора Цуй и стипендиат программы исследований в области инноваций в строительстве Министерства энергетики США.

Материалы с фазовым переходом могут протекать при переходе в жидкое состояние, что создает проблемы при их использовании. Один из подходов к решению этой проблемы состоит в помещении материалов внутрь несущего материала для предотвращения протечек. Хотя это решение может сработать, оно не столь эффективно, поскольку основной материал не аккумулирует тепло.

Для решения этой проблемы исследователи удалили из древесины лигнин, вещество, содержащееся в растительных клетках и обеспечивающее структуру и жесткость, — чтобы создать губчатую структуру с мельчайшими порами.

Они заполнили конструкцию материалом с фазовым переходом, смешанным с компонентом, который превращается в мягкий пластик. Мягкий пластик удерживает материал с фазовым переходом на месте даже при плавлении и укрепляет древесину. Полученный материал не протекал и не разрушался на протяжении более 1000 циклов фазового перехода.

В отличие от многих материалов для хранения энергии, которые теряют прочность, эти композиты с фазовым переходом, созданные на основе древесины, сохраняют механическую целостность при многократных циклах нагрева и охлаждения, что делает их одновременно энергоэффективными и механически прочными, что крайне важно для долгосрочного использования в зданиях, говорит доктор Хунбин Лу, один из соавторов исследования и профессор машиностроения, заведующий кафедрой имени Луиса Бичерла-младшего и директор Лаборатории механики перспективных материалов.

Исследователи планируют продолжить совершенствование и коммерциализацию этой технологии. Было очень интересно участвовать в этом проекте, который демонстрирует многообещающие результаты в создании более комфортных и энергоэффективных зданий, говорит Густаво Фелисио Перручи, соавтор исследования и аспирант в области машиностроения, научным руководителем которого являются доктора Лу и Цуй.

Работа с нашими партнерами из национальной лаборатории дала мне бесценный опыт и открыла важные возможности, продемонстрировав, как междисциплинарные команды могут превращать экологически чистые материалы в реальные решения.