Kwantowy skok w technologii okien zapewnia dramatyczne oszczędności energii

Badacze z Uniwersytetu Notre Dame opracowali nową powłokę okienną, która blokuje generujące ciepło promieniowanie ultrafioletowe i podczerwone, a jednocześnie przepuszcza światło widzialne, niezależnie od kąta padania słońca. Zdjęcie: Uniwersytet Notre Dame

Nowa powłoka okienna obniża temperaturę w pomieszczeniach i koszty energii poprzez selektywne blokowanie światła generującego ciepło, co jest skuteczne przy dowolnym kącie padania słońca.

Okna wpuszczają światło do wnętrz, ale również niechciane ciepło. Nowa powłoka okienna blokuje generujące ciepło promieniowanie ultrafioletowe i podczerwone, a jednocześnie przepuszcza światło widzialne, niezależnie od kąta padania słońca. Powłoka może być montowana na istniejących oknach lub samochodach i może obniżyć koszty klimatyzacji o więcej niż jedną trzecią w gorącym klimacie.

"Kąt między słońcem a twoim oknem zawsze się zmienia," powiedział Tengfei Luo, Profesor Związku Rodziny Dorini ds. Badań Energii na Uniwersytecie Notre Dame i kierownik badania. "Nasza powłoka zachowuje funkcjonalność i efektywność, niezależnie od pozycji słońca na niebie."

Powłoki okienne stosowane w wielu niedawnych badaniach są optymalizowane dla światła, które wpada do pomieszczenia pod kątem 90 stopni. Jednak w południe, zwykle najgorątsza pora dnia, promienie słoneczne wpadają do pionowo zamontowanych okien pod skośnymi kątami.

Luo i jego stypendysta postdoktorski Seongmin Kim wczesniej wyprodukowali przezroczystą powłokę okienną poprzez układanie ultracienkich warstw krzemionki, glinu i dwutlenku tytanu na szklanej podstawie. Dodany został mikrometrowy polimer krzemowy, aby zwiększyć moc chłodzącą struktury poprzez odbijanie promieniowania cieplnego przez okno atmosferyczne i w przestrzeń kosmiczną.

Dodatkowa optymalizacja kolejności warstw była konieczna, aby upewnić się, że powłoka będzie mogła pomieścić wiele kątów padania światła słonecznego. Jednak podejście przez metodę prób i błędów nie było praktyczne, biorąc pod uwagę ogromną liczbę możliwych kombinacji, powiedział Luo.

Aby przetasować warstwy w optymalnej konfiguracji - takiej, która maksymalizuje transmisję światła widzialnego, jednocześnie minimalizując przepływ długości fal generujących ciepło - zespół użył komputacji kwantowej, a konkretnie kwantowego wyżarzania, i potwierdził swoje wyniki eksperymentalnie.

Ich model wyprodukował powłokę, która zachowała przejrzystość i zmniejszyła temperaturę o 5,4 do 7,2 stopnia Celsjusza (9,7 do 13 stopni Fahrenheita) w modelowej sali, nawet gdy światło było przesyłane pod różnymi kątami. Wyniki badań laboratoryjnych zostały ostatnio opublikowane w Cell Reports Physical Science.

"Podobnie jak okulary polaryzacyjne, nasza powłoka zmniejsza intensywność padającego światła, ale, w przeciwieństwie do okularów, nasza powłoka pozostaje przejrzysta i skuteczna nawet przy różnych kątach nachylenia," powiedział Luo.

Metoda uczenia się z użyciem komputacji kwantowej opracowana do stworzenia tej powłoki może być używana do projektowania szerokiego zakresu materiałów o złożonych właściwościach.

Odnośnik: "Wide-angle spectral filter for energy-saving windows designed by quantum annealing-enhanced active learning" autorstwa Seongmina Kima, Seranga Junga, Alexandrii Bobbitt, Eungkyu Lee i Tengfei Luo, 4 marca 2024, Cell Reports Physical Science. DOI: 10.1016/j.xcrp.2024.101847