Υπέρ-μονωμένα ρούχα θα μπορούσαν να εξαλείψουν την ανάγκη για εσωτερική θέρμανση

Φορώντας ρούχα που έχουν εμβαπτιστεί σε διάλυμα νανο-συρμάτων αργύρου (AgNW) που είναι εξαιρετικά ακτινο-μονωτικό, ένας άνθρωπος θα μπορούσε να μείνει τόσο ζεστός το χειμώνα που μπορεί να μειώσει σημαντικά ή ακόμη και να εξαλείψει την ανάγκη για θέρμανση στο σπίτι του. Θεωρώντας ότι το 47% της παγκόσμιας ενέργειας δαπανάται για θέρμανση εσωτερικών χώρων και το 42% από αυτό για θέρμανση κατοικιών, τέτοιος υψηλής μόνωσης ρουχισμός θα μπορούσε ενδεχομένως να έχει τεράστια εξοικονόμηση εξόδων.

Μια ομάδα ερευνητών υπό την καθοδήγηση του καθηγητή Yi Cui, μαζί με τον διδακτορικό φοιτητή Po-Chun Hsu και άλλοι στο Πανεπιστήμιο του Stanford, δημοσίευσε στο πρόσφατο τεύχος του Nano Letters μια εργασία σχετικά με υφάσματα επικαλυμμένα με AgNW.

Όπως εξηγούν οι ερευνητές οι περισσότερες στρατηγικές για τη μείωση της εσωτερικής θέρμανσης εστιάζουν στη βελτίωση της μόνωσης των κατασκευών, όπως με τη χρήση μόνωσης υψηλής θερμικής αντίστασης (υψηλή τιμή R) και χρήση παραθύρων χαμηλής αποτελεσματικότητας εκπεμπόμενης, ως θερμική ακτινοβολία, ενέργειας. Ωστόσο, ένα μεγάλο μέρος της ενέργειας σπαταλιέται ακόμη στη θέρμανση άδειων χώρων και  άψυχων αντικειμένων.

Για να αποφύγουν αυτή τη σπατάλη, οι ερευνητές χρησιμοποίησαν μια νέα στρατηγική που ονομάζεται «προσωπική θερμική διαχείριση», η οποία εστιάζει στη θέρμανση ανθρώπων. Έχουν δείξει ότι ρούχα βουτηγμένα σε διάλυμα μεταλλικών νανο-συρμάτων, όπως του αργύρου (AgNW), επιτυγχάνει το στόχο και παρέχοντας παθητική μόνωση και επιτρέποντας ενεργητική θέρμανση, όταν συνδεθεί με εξωτερική πηγή ισχύος.

(a) Απεικόνιση που δείχνει πως η θερμότητα περνάει δια μέσω ενός κανονικού ρούχου, αλλά ανακλάται από ένα ρούχο με AgNW. (b, c) Φωτογραφίες υφάσματος με AgNW και υφάσματος με CNT (Νανο-σωλήνες άνθρακα). (d, e) Εικόνες από ηλεκτρονικό μικροσκόπιο σάρωσης (SEM) υφάσματος AgNW και υφάσματος CNT. Credit: Hsu, et al. ©2014 American Chemical Society

Το κύριο πλεονέκτημα του επικαλυμμένου με A gNW ενδύματος, είναι ότι αντανακλά πάνω από 90% της ατομικής θερμότητας ενός ανθρωπίνου σώματος (υπέρυθρη ακτινοβολία) πίσω στο άτομο. Η ανακλαστικότητα αυτή είναι πολύ υψηλότερη ακόμη από το θερμότερο μάλλινο πουλόβερ, καθώς τα υλικά των ενδυμάτων αντανακλούν πίσω κατά μέσο όρο μόνο 20% περίπου της θερμότητας του σώματος. Αυτή η αύξηση της ανακλαστικότητας οφείλεται στις διαφορές της αποτελεσματικότητας εκπομπής θερμικής ακτινοβολίας των διαφόρων υλικών. Χαμηλής αποτελεσματικότητας εκπομπής υλικά, όπως το ασήμι, που έχει τιμή αποτελεσματικότητας 0,02 εκπέμπουν λιγότερη ακτινοβολία και έτσι παρέχουν καλύτερη μόνωση από ότι ένα υψηλής αποτελεσματικότητας εκπομπής, όπως τα κοινά υφάσματα που έχουν τιμή περίπου 0,8.

Το πρόβλημα της (μη) αναπνευσιμότητας του μεταλλικού υλικού των ρούχων ξεπερνιέται, καθώς η πορώδης δομή των επικαλυμμένων με AgNW ρούχων τα κάνει ικανά να «αναπνέουν». Η μεγάλη απόσταση, περίπου 300 nm, μεταξύ των νανο-συρμάτων αφήνει άπλετο χώρο στα μόρια των υδρατμών που είναι περίπου 0,2 nm να περάσουν. Από τη άλλη μεριά η απόσταση των 300 nm είναι ακόμη πολύ μικρή για τη ακτινοβολία του ανθρωπίνου σώματος, που έχει μήκος κύματος περίπου 9 μm, και έτσι δεν της επιτρέπει να περάσει, αλλά αλληλεπιδρά με τα νανο-σύρματα του ρούχου και ανακλάται σαν να ήταν συνεχές μεταλλικό φιλμ.

Όσον αφορά στο βάρος και στο κόστος της κατασκευής, επειδή απαιτείται μικρή ποσότητα διαλύματος AgNWs, η μάζα που προστίθεται είναι μόλις 0,1 g/m^2, πολύ μικρότερη από 1 γραμμάριο. Σε αυτή την επιπλέον μάζα ο Ag είναι ένα μικρό μέρος, στοιχείο που καθιστά φθηνή την κατασκευή, το κόστος της οποίας θα μπορούσε να μειωθεί ακόμη περισσότερο αν χρησιμοποιηθούν άλλα μέταλλα, όπως χαλκός, νικέλιο ή αλουμίνιο, που έχουν παρόμοιες ιδιότητες.

Όμως εκτός από την παθητική μόνωση, το ύφασμα με AgNW μπορεί να προσφέρει θέρμανση (φαινόμενο Joule) αν συνδεθεί με μια εξωτερική πηγή ισχύος, όπως μια μπαταρία. Οι ερευνητές έδειξαν ότι μια μικρή διαφορά δυναμικού 0,9 V μπορεί να αυξήσει τη θερμοκρασία του ρούχου στους 39 βαθμούς Κελσίου, που είναι κατά 1 βαθμό υψηλότερη από τη θερμοκρασία των 37 βαθμών Κελσίου, του ανθρώπινου σώματος.

Ακόμη οι ερευνητές υπολόγισαν, ότι άτομα που φορούν τέτοια ρούχα με AgNWs, θα μπορούσαν να πετύχουν μια εξοικονόμηση ενέργειας ανά άτομο και ανά ημέρα 8,5 κWh ή 1000 kWh ανά έτος, αν υποτεθεί πως το σύστημα θέρμανσης λειτουργεί για τέσσερις μήνες  το χρόνο. Η ενέργεια των 1000 kWh που εξοικονομείται ισοδυναμεί με την ενέργεια που παράγεται από ένα ηλιακό πάνελ 2 τετραγωνικών μέτρων, με τη παρατήρηση ότι ένα τέτοιο πάνελ πιθανόν να κοστίσει περισσότερο για την εγκατάσταση και τη συντήρησή του.

Οι ερευνητές κατασκεύασαν και δοκίμασαν επίσης και ρούχα σε διάλυμα νανο-σωλήνων άνθρακα. Ωστόσο, αν και οι νανο-σωλήνες άνθρακα είναι αγώγιμες και έτσι κατάλληλες για θέρμανση με το φαινόμενο Joule, η υψηλή τιμή της αποτελεσματικότητας εκπομπής ακτινοβολίας, περίπου 0,98, δεν τις καθιστά ικανές να αντανακλούν θερμότητα τόσο καλά όσο τα ρούχα με επικάλυψη AgNW.

Πηγή: phys.org

Περισσότερα στο άρθρο: Po-Chun Hsu, et al. “Personal Thermal Management by Metallic Nanowire-Coated Textile.” Nano Letters. DOI: 10.1021/nl5036572 στο Nano Letters.