Jak tkaniny nowej generacji zapewnią Ci chłód w letnie upały?

Klimatyzacja zużywa oszałamiające 5 procent całej energii elektrycznej produkowanej w USA. To ogromna ilość zasobów, które dosłownie każdego roku unoszą się w górę w gorącym powietrzu. Tak więc nawet niewielkie postępy, które pomagają ludziom zachować spokój, mogą mieć istotny wpływ.

Dzisiaj Jonathan Tong i koledzy z MIT ujawniają swoje podejście do problemu – zaprojektuj tkaniny, które pozwalają skuteczniej promieniować ciepło od ciała.

Większość ubrań jest nie tylko nieprzezroczysta dla światła widzialnego, ale także dla podczerwieni. To zatrzymuje promieniowanie podczerwone, powodując rozgrzanie ciała. Przydaje się, gdy jest zimno, ale nie jest tak dobre, gdy jest gorąco.

Więc Tong i spółka wymyślili rozwiązanie. Zaprojektuj materiał, który jest nieprzezroczysty dla światła widzialnego, ale przezroczysty w podczerwieni.

Ich podejście jest proste. Tong i spółka twierdzą, że ludzkie ciało emituje ciepło głównie w średniej i dalekiej podczerwieni, więc ich tkanina powinna być zaprojektowana tak, aby była przezroczysta w tych częściach widma.

Aby zrozumieć wyzwanie, zmierzyli właściwości transmisyjne zwykłych materiałów odzieżowych, takich jak tkaniny bawełniane i poliestrowe, które razem stanowią prawie 80 procent całej produkcji włókien tekstylnych. Materiały te przepuszczają tylko około 1 procent padającego na nie światła podczerwonego.

Z kolei bawełna i poliester przepuszczają od 30 do 40 procent światła widzialnego, dzięki czemu są bardziej przezroczyste w zakresie widzenia niż w podczerwieni. Zespół twierdzi, że te materiały wydają się nieprzezroczyste, ponieważ odbijają więcej światła niż przepuszczają, a ludzkie oko jest wystarczająco czułe, aby odebrać odbite światło. (W rzeczywistości zazwyczaj łatwo jest przejrzeć te materiały, jeśli przyłożysz je do oczu.)

Istnieją dwa powody, dla których bawełna i poliester są tak nieprzezroczyste w podczerwieni. Po pierwsze, cząsteczki wyginają się i obracają przy wielu częstotliwościach podczerwieni i tak silnie absorbują światło na tych częstotliwościach. A ponieważ każda tkanina ma grubość wielu tysięcy cząsteczek, prawie całe światło podczerwone jest pochłaniane.

Po drugie, same włókna są mniej więcej tej samej wielkości co długość fali światła podczerwonego, a więc skutecznie je rozpraszają. Sprawia to, że materiały silnie odbijają światło podczerwone. Dlatego te materiały często wydają się białe na obrazach w podczerwieni.

To stawia przed Tongiem i spółką dwa wyzwania. Ich nowe materiały muszą być znacznie mniej absorbujące promieniowanie podczerwone i muszą być wykonane z włókien, które nie rozpraszają go tak mocno.

Od razu przychodzą na myśl dwa sztuczne materiały. Pierwszym z nich jest polietylen, który jest wykonany z powtarzających się monomerów etylenu, które łączą się, tworząc cząsteczki o różnych długościach. Ma bardzo mało trybów wibracyjnych i obrotowych na częstotliwościach podczerwonych, a więc jest znacznie mniej chłonny.

Drugi to nylon, który ma podobną strukturę cząsteczkową do polietylenu z dodatkiem amidowej grupy chemicznej. Ta dodatkowa grupa sprawia, że ​​nylon jest bardziej chłonny w podczerwieni, choć nie tak chłonny jak bawełna lub poliester w kluczowym zakresie 10 mikrometrów, gdzie ludzkie ciało promieniuje większość swojego ciepła.

Tong i spółka mają jeszcze jednego asa w rękawie. Zwracają uwagę, że zmniejszenie włókien spowoduje, że będą się rozpraszać i słabiej odbijać światło podczerwone. Przejdzie więc więcej światła podczerwonego.

Ma to dodatkową korzyść. Nylon i poliester dość dobrze przepuszczają światło widzialne, ale zmniejszenie rozmiaru włókien do wielkości światła widzialnego spowoduje, że włókna będą je silniej rozpraszać. Powinno to zapewnić, że materiały te dla ludzkiego oka będą wyglądać nieprzejrzyście.

Zespół następnie obliczył efekt noszenia nylonowej lub poliestrowej tkaniny wykonanej z włókien o średnicy jednego mikrometra i wplecionej w przędzę o grubości 30 mikrometrów. Obliczenia te sugerują, że zwiększona przepuszczalność podczerwieni zapewniłaby równowartość co najmniej 23 watów chłodzenia. Co najważniejsze, materiały te powinny nadal być nieprzezroczyste przy widzialnych długościach fal.

Przejrzysta na podczerwień, widocznie nieprzezroczysta tkanina stanowi proste rozwiązanie pozwalające zmniejszyć zużycie energii w systemach HVAC poprzez umożliwienie wyższych nastaw temperatury w okresie letnim, podsumowują.

Oczywiście są pewne zastrzeżenia. Po pierwsze, materiały te musiałyby być barwione ze względów estetycznych, zanim będą mogły być szeroko stosowane w odzieży detalicznej. Wpływ tych barwników na przepuszczalność podczerwieni nie jest jeszcze jasny.

Kolejnym czynnikiem jest porowatość wody. Ma to istotny wpływ na komfort, ponieważ dużo chłodzenia ciała pochodzi z parowania potu. Jeśli woda nie może przejść przez te materiały, prawdopodobnie będą niewygodne w noszeniu.

A możliwość noszenia będzie ważna sama w sobie. Materiały te będą musiały być miękkie w dotyku i wygodne w noszeniu, co trudno ocenić na podstawie takich badań. Do tego dochodzi trwałość i zmywalność – ważne czynniki w wielu decyzjach zakupowych.

Wreszcie kwestia prywatności. Kamery na podczerwień stają się coraz tańsze i powszechne, a każdy, kto nosi te tkaniny, będzie wydawał się mniej lub bardziej nagi dla tych kamer. Tong i spółka nie wspominają o tym w swoim artykule, ale prawdopodobnie będzie to ważna kwestia w świecie, w którym zawstydzające obrazy mogą rozprzestrzenić się po całym świecie w mgnieniu oka.

Jednym z rozwiązań może być zmieszanie materiału z innymi, bardziej powszechnymi, ale ponownie należy dokładnie określić wpływ tego na przepuszczalność podczerwieni. Na wszystkich tych frontach potrzeba wyraźnie więcej pracy.

Jest to jednak ciekawe ujęcie ważnego problemu, który może mieć istotny wpływ na zużycie energii w miejscach, w których rozpowszechniona jest klimatyzacja.

Nr ref.: arxiv.org/abs/1507.04269 : Przepuszczające podczerwień, widoczne i nieprzezroczyste tkaniny do osobistego zarządzania temperaturą noszenia

ukryć