Μια ανατρεπτική εξέλιξη στον τομέα της ενεργειακής απόδοσης είναι αυτή που προέρχεται από τα εργαστήρια του Πανεπιστημίου του Κολοράντο στο Boulder. Μια ομάδα φυσικών κατάφερε να συνθέσει ένα καινοτόμο υλικό, γνωστό ως MOCHI (Mesoporous Optically Clear Heat Insulator), το οποίο συνδυάζει δύο φαινομενικά ασύμβατες ιδιότητες: την εξαιρετική θερμομόνωση και την απόλυτη διαφάνεια. Το νέο αυτό υλικό φιλοδοξεί να μετατρέψει τα παραδοσιακά παράθυρα σε ισχυρούς ρυθμιστές θερμότητας, προσφέροντας μια ευνοϊκή λύση που εμποδίζει τους συμβιβασμούς μεταξύ φυσικού φωτός και εξοικονόμησης ενέργειας.
Το ενεργειακό αποτύπωμα των κτιρίων στο μικροσκόπιο
Η σημασία της ανακάλυψης αυτής είναι εμφανής όταν εξετάσουμε τα στατιστικά. Σύμφωνα με στοιχεία, τα κτίρια ευθύνονται για περίπου το 40% της παγκόσμιας κατανάλωσης ενέργειας. Ένα σημαντικό ποσοστό αυτής της ενέργειας «σπαταλιέται» μέσω των παραθύρων, καθώς η θερμότητα διαφεύγει κατά τους χειμερινούς μήνες ενώ εισβάλλει ανεξέλεγκτα το καλοκαίρι.
Μέχρι σήμερα, η λύση για τη μόνωση ήταν απλή αλλά περιοριστική: απαιτούσε την προσθήκη υλικών στους τοίχους. Όπως υπογραμμίζει ο καθηγητής Φυσικής Ivan Smalyukh, επικεφαλής της ερευνητικής ομάδας, «για να μπλοκάρεις την ανταλλαγή θερμότητας, μπορείς να βάλεις αρκετή μόνωση στους τοίχους, αλλά τα παράθυρα πρέπει να παραμένουν διαφανή». Αυτή η αναγκαιότητα για ορατότητα υπήρξε μέχρι τώρα η μεγαλύτερη πρόκληση για τους επιστήμονες των υλικών.
Η αρχιτεκτονική του «αόρατου»
Το MOCHI έρχεται να καλύψει αυτό το κενό με έναν πρωτοποριακό τρόπο. Πρόκειται για ένα τζελ σιλικόνης με περίπλοκη εσωτερική δομή. Σκεφτείτε το σαν εξελιγμένο αεροπλάστ (bubble wrap), αλλά σχεδιασμένο για θερμική διαχείριση, όχι για συσκευασία. Το μυστικό του βρίσκεται στους μικροσκοπικούς αέριους θύλακες που περιέχει, οι οποίοι έχουν πόρους σχεδόν λεπτότερους από μια ανθρώπινη τρίχα.
Περίπου το 90% του όγκου του υλικού είναι αέρας. Αυτό που καθιστά το MOCHI μοναδικό σε σχέση με άλλους γνωστούς μονωτές, όπως οι αερογέλες (aerogels), είναι η διάταξη αυτών των πόρων. Ενώ οι αερογέλες προκαλούν τη σκέδαση του φωτός και εμφανίζουν θολή όψη, στο MOCHI η δομή είναι οργανωμένη ώστε να επιτρέπει στο φως να διαπερνά ελεύθερα. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα το υλικό να αντανακλά μόλις το 0,2% του εισερχόμενου φωτός, διατηρώντας σχεδόν κρυστάλλινη διαφάνεια.
Φυσική σε επίπεδο νανοκλίμακας
Ο μηχανισμός που επιτρέπει στο MOCHI να κόβει τη ροή θερμότητας είναι ένας μικρόκοσμος φυσικής. Η θερμότητα στα αέρια μεταδίδεται μέσω συγκρούσεων μεταξύ μορίων, θυμίζοντας μια αλυσίδα που αλληλοεπιδρά. Οι ταχύτερα κινούμενοι μόρια προκαλούν συγκρούσεις που με τη σειρά τους μεταφέρουν θερμότητα. Ωστόσο, μέσα στο MOCHI, οι πόροι είναι τόσο περιορισμένοι που τα μόρια αέρα δεν έχουν την ευχέρεια να συγκρουστούν, αναγκασμένα να προσκρούουν στα τοιχώματα της σιλικόνης. Αυτός ο περιορισμός αποτρέπει τη διάδοση θερμικής ενέργειας, καθιστώντας το υλικό έναν εξαιρετικό θερμικό φραγμό.
Εντυπωσιακό είναι πως ένα φύλλο πάχους μόλις 5 χιλιοστών μπορεί να παρέχει τέτοια προστασία που επιτρέπει να κρατήσουν μια φλόγα στην άλλη πλευρά χωρίς να καούν!
Η διαδικασία παραγωγής: Από τη σαλάτα στο εργαστήριο
Η δημιουργία του υλικού βασίζεται σε διαδικασία αυτο-οργάνωσης των μορίων. Οι ερευνητές αναμειγνύουν ειδικές επιφανειοδραστικές ουσίες με ένα υγρό μείγμα, προσομοιώνοντας τη διαδικασία διαχωρισμού λαδιού και ξυδιού. Τα μόρια σιλικόνης προσκολλώνται σε αυτές τις μορφές και, μετά από ειδικές επεξεργασίες, αφαιρούν το αρχικό “καλούπι”, αφήνοντας πίσω τον άκαμπτο σκελετό σιλικόνης με τους εγκλωβισμένους αεραγωγούς. Ο Smalyukh αστειεύεται λέγοντας πως η περίπλοκη δομή του υλικού θα μπορούσε να χαρακτηριστεί ως «εφιάλτης του υδραυλικού» λόγω του δαιδαλώδους δικτύου των μικροσκοπικών καναλιών.
Προοπτικές και επόμενα βήματα
Παρόλο που το MOCHI βρίσκεται ακόμη στο στάδιο του εργαστηρίου, οι προοπτικές εφαρμογής του είναι τεράστιες. Εκτός από τη χρήση του σε οικιακά και επαγγελματικά παράθυρα για μείωση των λογαριασμών θέρμανσης και ψύξης, το υλικό μπορεί να αξιοποιηθεί σε συστήματα ηλιακών συλλεκτών, προκειμένου να δεσμεύει θερμότητα ακόμα και σε συννεφιασμένες ημέρες.
Η σχετικά χαμηλή τιμή των συστατικών και η βάση του από σιλικόνη ενθαρρύνουν την ελπίδα για μαζική παραγωγή στο μέλλον. Η ομάδα του CU Boulder εργάζεται ήδη για την καλύτερη βελτιστοποίηση των μεθόδων παραγωγής, με σκοπό να φέρει το MOCHI στην αγορά.
