Platforma została zainspirowana dynamicznie zmieniającą kolor skórą organizmów, takich jak kalmary. W porównaniu z istniejącymi technologiami oferuje znacznie większą kontrolę przy niskich kosztach dzięki zastosowaniu prostych, gotowych komponentów.

W poszukiwaniu optymalnych warunków 

– Budynki zużywają mnóstwo energii do ogrzewania, chłodzenia i oświetlania pomieszczeń w nich – mówi niedawny absolwent Raphael Kay (MIE MASc 2T2), główny autor nowego artykułu opublikowanego w PNAS. – Jeśli możemy strategicznie kontrolować ilość, rodzaj i kierunek energii słonecznej, która dostaje się do naszych budynków, możemy znacznie zmniejszyć ilość pracy, którą wykonujemy grzejnikami, chłodnicami i oświetleniem.

Obecnie niektóre „inteligentne” technologie budowlane, takie jak automatyczne żaluzje lub okna elektrochromowe – które zmieniają swoją nieprzezroczystość w odpowiedzi na prąd elektryczny – mogą być wykorzystywane do kontrolowania ilości światła słonecznego wpadającego do pomieszczenia. Ale Kay mówi, że te systemy są ograniczone: nie mogą rozróżniać różnych długości fal światła ani kontrolować, w jaki sposób światło jest rozprowadzane przestrzennie.

– Światło słoneczne zawiera światło widzialne, które wpływa na oświetlenie budynku, ale zawiera również inne niewidoczne długości fal, takie jak światło podczerwone, które zasadniczo możemy traktować jako ciepło – mówi. – W środku dnia w zimie prawdopodobnie chciałbyś wpuścić oba, ale w środku dnia w lecie chciałbyś wpuścić tylko światło widzialne, a nie ciepło. Obecne systemy zazwyczaj nie mogą tego zrobić: albo blokują oba, albo żadnego. Nie mają też zdolności kierowania lub rozpraszania światła w korzystny sposób.

System opracowany przez Kay i zespół – kierowany przez profesora Bena Hattona (MSE), w skład którego wchodzą doktorant Charlie Katrycz (MSE) i profesor Alstan Jakubiec (Daniels Architecture) – wykorzystuje moc mikroprzepływów, aby zaoferować alternatywę.

Ich prototypy składają się z płaskich arkuszy tworzywa sztucznego, które są przesiąknięte szeregiem kanalików o grubości milimetra, przez które można pompować płyny. Do płynów można dodawać dostosowane pigmenty, cząsteczki lub inne molekuły, aby kontrolować, jaki rodzaj światła przechodzi – na przykład długości fal widzialnych i bliskiej podczerwieni – oraz w jakim kierunku to światło jest następnie rozprowadzane.

Arkusze te można łączyć w stos wielowarstwowy, przy czym każda warstwa odpowiada za inny rodzaj funkcji optycznej: kontrolowanie intensywności, filtrowanie długości fali lub dostrajanie rozpraszania przepuszczanego światła w pomieszczeniu. Wykorzystując małe, sterowane cyfrowo pompy do dodawania lub usuwania płynów z każdej warstwy, system może zoptymalizować transmisję światła.

– Jest prosty i niedrogi, ale umożliwia również niesamowitą, kombinatoryczną kontrolę. Możemy projektować dynamiczne fasady budynków w stanie ciekłym, które pod względem właściwości optycznych spełniają praktycznie wszystko, co chcesz osiągnąć –  twierdzi Kay.

Zainspirowani naturą 

Prace opierają się na innym systemie wykorzystującym wstrzykiwany pigment, opracowanym przez ten sam zespół na początku tego roku i opublikowanym w Nature Communications. Podczas gdy badanie to czerpało inspirację ze zdolności stawonogów morskich do zmiany koloru, obecny system jest bardziej analogiczny do wielowarstwowej skóry kałamarnic.

MOŻE ZAINTERESUJE CIĘ TAKŻE

Budownictwo przemysłowe

Budownictwo na progu zielonej rewolucji

Według danych Polskiego Stowarzyszenia Budownictwa Ekologicznego powierzchnia użytkowa budynków objętych zielonymi certyfikatami, które potwierdzają ich przyjazność dla środowiska, przekroczyła w ubiegłym roku 23 mln m² i tylko w poprzednich 12 miesiącach wzrosła o 35%. Takich budynków było wówczas w Polsce 1,1 tys., ale ich liczba dynamicznie się zwiększa. To odzwierciedla kierunek zrównoważonego rozwoju i neutralności dla środowiska, w jakim zmierza cała branża nieruchomości i budownictwa. Wymusza go zarówno presja biznesowa, jak i legislacyjna – w tym m.in. obowiązki, jakie UE nakłada na firmy w zakresie raportowania czynników ESG.

Wiele gatunków kałamarnic ma skórę zawierającą ułożone w stos warstwy wyspecjalizowanych narządów, w tym chromatofory, które kontrolują pochłanianie światła, oraz irydofory, które wpływają na odbicie i opalizowanie. Te indywidualnie adresowalne elementy współpracują ze sobą w celu wygenerowania unikalnych zachowań optycznych, które są możliwe tylko dzięki ich połączonemu działaniu.

Podczas gdy naukowcy z U of T Engineering skupili się na prototypach, Jakubiec zbudował szczegółowe modele komputerowe, które analizowały potencjalny wpływ energetyczny pokrycia hipotetycznego budynku w tego typu dynamiczną fasadę.

Modele te opierały się na właściwościach fizycznych zmierzonych na podstawie prototypów. Zespół przeprowadził również symulację różnych algorytmów sterowania aktywacją lub dezaktywacją warstw w odpowiedzi na zmieniające się warunki otoczenia.

– Gdybyśmy mieli tylko jedną warstwę, która koncentruje się na modulowaniu transmisji światła bliskiej podczerwieni – a więc nawet nie dotykając widocznej części widma – stwierdzilibyśmy, że moglibyśmy zaoszczędzić około 25% rocznie na ogrzewaniu, chłodzeniu i energii oświetlenia w porównaniu z elektrycznością statyczną. linii bazowej – mówi Kay. – Jeśli mamy dwie warstwy, podczerwoną i widzialną, jest to bardziej jak 50%. To bardzo znaczące oszczędności.

W tym badaniu algorytmy sterowania zostały zaprojektowane przez ludzi, ale Hatton zwraca uwagę, że wyzwanie polegające na ich optymalizacji byłoby idealnym zadaniem dla sztucznej inteligencji, możliwym przyszłym kierunkiem badań.

– Pomysł na budynek, który może się uczyć, który może samodzielnie dostosować ten dynamiczny układ, aby zoptymalizować sezonowe i dzienne zmiany warunków słonecznych, jest dla nas bardzo ciekawy – dodaje. –Zastanawiamy się również nad skutecznym zwiększeniem skali, aby można było faktycznie objąć cały budynek. Będzie to wymagało pracy, ale biorąc pod uwagę, że wszystko to można zrobić za pomocą prostych, nietoksycznych i tanich materiałów, jest to wyzwanie, któremu można sprostać.

Mówiąc szerzej, Hatton ma nadzieję, że badanie zachęci innych badaczy do bardziej kreatywnego myślenia o nowych sposobach zarządzania energią w budynkach.

– Na całym świecie ilość energii zużywanej przez budynki jest ogromna – jest nawet większa niż to, co wydajemy na produkcję lub transport – stwierdził. – Uważamy, że tworzenie inteligentnych materiałów dla budynków to wyzwanie, któremu należy poświęcić dużo więcej uwagi.

Źródło: University of Toronto