เพื่อสร้างการเคลือบหลังคาที่ดีขึ้น ให้ลองใช้วานาเดียมออกไซด์ โดย ราหุล ราว | เผยแพร่เมื่อ 17 ธ.ค. 2564 6:00 น. ศาสตร์สิ่งแวดล้อม
ตัวอย่างการเคลือบหลังคาทุกฤดู พัฒนาโดยใช้วัสดุที่เรียกว่าวาเนเดียมไดออกไซด์ Thor Swift, ห้องทดลองแห่งชาติ Lawrence Berkeley
สมมติว่าคุณกำลังพยายามทำให้บ้านเย็นลงในฤดูร้อนหรือในสภาพอากาศร้อนที่ดวงอาทิตย์กำลังสาดส่องลงมาเหนือศีรษะ คุณอาจคลุมหลังคาด้วยวัสดุที่สะท้อนแสงหรือดูดซับแสงแดด ป้องกันไม่ให้เข้าไปข้างใน แต่ถ้าคุณอยู่ในที่ที่ฤดูร้อนเปลี่ยนเป็นฤดูหนาว สารเคลือบหลังคาที่กันความร้อนนั้นมีปัญหาในการรักษาความร้อนไว้ด้วย ซึ่งส่งผลให้ต้นทุนการทำความร้อนสูงขึ้น และมีส่วนทำให้การดำเนินงานของอาคารไม่ทางใดก็ทางหนึ่ง ประมาณ 28 เปอร์เซ็นต์ของการปล่อยคาร์บอนทั่วโลก
ดังนั้น อาจพบวิธีแก้ปัญหาในวัสดุอัจฉริยะ
ที่ปรับเปลี่ยนได้ซึ่งใช้ทั้งสองอย่าง: สารที่กันความร้อนในฤดูร้อนและป้องกันไม่ให้ความร้อนระบายออกในฤดูหนาว ต้องขอบคุณวัสดุที่สามารถสลับไปมาระหว่างสองขั้นตอน—วัสดุที่ผ่านการทดสอบที่บ้านของอาจารย์—นักวิจัยในแคลิฟอร์เนียได้พัฒนาสารเคลือบหลังคาดังกล่าว พวกเขาตีพิมพ์ผลงานของพวกเขาในวารสารScienceเมื่อวันที่ 17 ธันวาคม
Junqiao Wuนักวิทยาศาสตร์ด้านวัสดุจาก University of California, Berkeley และ Lawrence Berkeley National Laboratory และหนึ่งในทีม วิจัย กล่าวว่า “จุดสำคัญทั้งหมดของงานของเราคือหลังคาของเราทำงานได้ไม่เฉพาะในสภาพอากาศร้อนเท่านั้น แต่ยังใช้งานได้ในสภาพอากาศหนาวเย็น ด้วย นักวิจัยที่อยู่เบื้องหลังโครงการ
วัสดุหลักในการมุงหลังคาคือวานาเดียมออกไซด์ ซึ่งเป็นสารประกอบที่ก่อนหน้านี้ผ่านการทดสอบเป็นสีเคลือบหน้าต่าง วานาเดียมออกไซด์เป็นตัวนำความร้อนที่ไม่ดีซึ่งแตกต่างจากโลหะส่วนใหญ่ ซึ่งทำให้เหมาะที่จะใช้เป็นฉนวน
รังสีอินฟราเรดที่ทำให้โลกร้อนของดวงอาทิตย์สามารถทะลุผ่านวาเนเดียมออกไซด์ได้ เมื่อวัสดุอยู่ที่อุณหภูมิห้อง แต่เมื่อสารประกอบมีความร้อนสูงถึง 153°F (67°C) คุณสมบัติของมันจะเปลี่ยนแปลง—จะเปลี่ยนเฟส มันเริ่มปิดกั้นรังสีอินฟราเรดเหล่านั้น บังแสงสิ่งที่อยู่ข้างใต้อย่างมีประสิทธิภาพ กล่าวอีกนัยหนึ่งคือปล่อยให้ถูกแสงแดดเมื่ออากาศเย็น และป้องกันไม่ให้ดวงอาทิตย์ตกเมื่ออากาศอบอุ่น
เว้นแต่ว่าคุณกำลังสร้างคอนโดบนดาวพุธ 153°F เป็นอุณหภูมิสูงสำหรับหลังคา แต่ก่อนหน้านี้ Wu และเพื่อนร่วมงานของเขาได้ค้นพบว่าการเติมทังสเตนลงในคำศัพท์วัสดุศาสตร์ “ยาสลบ” วานาเดียมออกไซด์ด้วยทังสเตน พวกมันสามารถลดจุดเปลี่ยนเฟสของสารประกอบลงไปที่ 77 องศาฟาเรนไฮต์ได้ดีกว่ามาก (25 องศาเซลเซียส).
นักวิจัยเชื่อว่าพวกเขาได้ระบุวัสดุที่ถูกต้อง แต่พวกเขาต้องการสถานที่เพื่อทดสอบ “คุณไม่สามารถทำได้แค่ในห้องแล็บ” วูกล่าว “เพราะในห้องแล็บ คุณไม่ได้รับแสงแดด ไม่ได้รับลม คุณไม่ต้องเผชิญกับท้องฟ้า”
หลังคาห้องแล็บของพวกเขาไม่สามารถเข้าถึงได้
และเมื่อถึงตอนนั้น การระบาดใหญ่ของโควิด-19 ก็ทำให้ห้องแล็บส่วนใหญ่ปิดตัวลง พวกเขาไม่สามารถทิ้งตัวอย่างการเคลือบหลังคาไว้ในที่โล่งเช่นสนามเด็กเล่นหรือที่จอดรถ พวกเขาต้องการที่ไหนสักแห่งที่สามารถใช้แล็ปท็อปได้โดยไม่ต้องมีผู้ดูแลเป็นเวลาหลายวัน
มีอีกทางเลือกหนึ่งคือ บ้านของวู
ยิ่งคิดก็ยิ่งชอบ บ้านบนเนินเขาในบริเวณอ่าวซานฟรานซิสโกไม่มีต้นไม้ขวาง ทำให้แสงแดดส่องถึงได้ไม่ขาดสาย มีสภาพอากาศที่เหมาะสมสำหรับการทดสอบเช่นกัน อุณหภูมิโดยรอบจะแปรปรวนอย่างมากระหว่างกลางวันและกลางคืน
“ฉันมีพลัง ฉันมี WiFi” หวู่กล่าว “ฉันมีฉันอาศัยอยู่ในบ้าน ฉันสามารถบำรุงรักษาอุปกรณ์ได้หลายวัน นั่นคือวิธีที่เราทำการทดลอง”
[ที่เกี่ยวข้อง: เพื่อต่อสู้กับความร้อนจัด ให้คลุมหลังคาของคุณด้วยต้นไม้ที่หิวกระหาย ]
นักวิจัยได้ติดตั้งบล็อกวาเนเดียมออกไซด์บนชั้นโปร่งใสของแบเรียมฟลูออไรด์ ซึ่งเป็นสารประกอบที่มักใช้ในการศึกษารังสีอินฟราเรด และชั้นล่างของสีเงินสะท้อนแสง ประกอบเป็นวัสดุคล้ายเทปกาว
Wu และ Kechao Tang ซึ่งเป็นนัก postdoc ในขณะนั้นได้ติดตั้งเทปนั้นไว้บนหลังคาบ้านของ Wu และตั้งค่าระบบการวัดแบบไร้สายบนระเบียงของ Wu เพื่อตรวจสอบว่าเทปตอบสนองต่อการเปลี่ยนแปลงของแสงแดดและอุณหภูมิของอากาศอย่างไร เมื่อเปรียบเทียบกับวิธีการเคลือบหลังคาที่มีอยู่สองวิธี—วิธีหนึ่งเป็นสีขาวและอีกวิธีหนึ่งเป็นสีดำ—พวกเขาพบว่าในขณะที่การเคลือบสีขาวทำงานได้ดีกว่าภายใต้แสงแดดโดยตรง แต่วัสดุของพวกมันก็ดีขึ้นในสภาวะอื่นๆ ส่วนใหญ่
แต่บริเวณอ่าวแทบจะไม่สามารถเป็นตัวแทนของทุกสภาพอากาศในโลกได้ เนื่องจากสภาพอากาศสามารถเปลี่ยนแปลงได้อย่างมากด้วยการเดินไปทางเดียวเป็นระยะทางเพียงไม่กี่ไมล์ และนักวิจัยได้ทดสอบวัสดุดังกล่าวในวันฤดูร้อนหนึ่งวันเท่านั้น
ดังนั้น ด้วยความช่วยเหลือของ Finnegan Reichertz นักเรียนมัธยมปลายในท้องถิ่นซึ่งกำลังฝึกงานในห้องปฏิบัติการของ Wu จากระยะไกล นักวิจัยจึงใช้ข้อมูลจากการทดลองบนหลังคาเพื่อทำการจำลองด้วยคอมพิวเตอร์ว่าสารเคลือบจะมีราคาอย่างไรตลอดทั้งปีใน 15 สภาพอากาศที่แตกต่างกัน ทั่วอเมริกาเหนือ—ตั้งแต่ทะเลทรายนิวเม็กซิโกไปจนถึงฤดูหนาวอันโหดร้ายของชิคาโก ไปจนถึงฝนที่ตกทางแปซิฟิกตะวันตกเฉียงเหนือ
สารเคลือบทำงานได้ดีโดยเฉพาะกับสภาพอากาศที่อุณหภูมิแปรปรวนระหว่างฤดูร้อนและฤดูหนาวที่หนาวเย็น ตามการจำลอง “สำหรับฟลอริดา มันจะไม่ได้ผลนัก” หวู่กล่าว “สำหรับฮาวาย ไม่ สำหรับอลาสก้านั้นหนาวเกินไป—ก็เช่นกัน แต่สำหรับเขตภูมิอากาศปานกลางและอบอุ่นทั้งหมด มันจะทำงานได้ดี” วัสดุช่วยประหยัดพลังงานมากกว่าการเคลือบหลังคาที่มีอยู่ใน 12 ของ 15 climes ที่พวกเขาจำลอง
ตอนนี้ Wu กล่าว พวกเขากำลังวางแผนที่จะจดสิทธิบัตรวัสดุนี้ในปี 2022 และค้นหาวิธีในการผลิตจำนวนมากอย่างมีประสิทธิภาพ หรือวัสดุที่คล้ายกันที่มีคุณสมบัติเหมือนกัน “เรากำลังมองหาการปรับปรุงประสิทธิภาพในขณะที่ทำให้สามารถปรับขนาดได้” เขากล่าว
สารเคลือบอันชาญฉลาดเหล่านี้ หาก Wu เหมาะสม ย่อมดีมากกว่าแค่หลังคา Wu จินตนาการว่าสามารถใช้ในการสำรวจอวกาศเพื่อให้ภายในรถมีอุณหภูมิที่สบาย แม้ในสภาพแวดล้อมที่รุนแรงนอกชั้นบรรยากาศของโลก เมื่ออยู่ใกล้พื้นมากขึ้น อาจใช้สารเคลือบในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์สำหรับผู้บริโภคหรือในสิ่งทอ ตัวอย่างเช่น วันหนึ่งคุณอาจสวมแจ็กเก็ตหรือแคมป์ปิ้งใต้เต็นท์ที่เคลือบวานาเดียมออกไซด์ที่เปลี่ยนเฟสโดยเก็บความเย็นไว้หนึ่งนาที แล้วจึงอุ่นในครั้งต่อไป
