Обычная стена может быть толстой и хорошо утеплённой, но окно должно оставаться прозрачным. Из-за этого оно часто становится слабым местом оболочки здания: через него уходит тепло зимой и приходит лишний жар летом. Исследователи пытаются совместить свойства окна и изоляции – пропускать видимый свет, но затруднять перенос тепла.
Не все решения готовы к массовой продаже. В рейтинге рядом стоят давно изученные пористые материалы, вакуумное стекло и новые лабораторные покрытия. Их сравнивают по сочетанию прозрачности, теплоизоляции и практической возможности установить материал в окне.
| Место | Материал | Как сочетает свет и теплоизоляцию |
|---|---|---|
| 5 | Кремнезёмный аэрогель | Пористая структура рассеивает мало света и плохо проводит тепло |
| 4 | Прозрачная древесина | Древесные волокна работают внутри светопропускающего композита |
| 3 | Целлюлозный аэрогель | Тонкий прозрачный слой между стеклянными панелями |
| 2 | MOCHI | Нанопористый прозрачный материал для модернизации окон |
| 1 | Вакуумное стекло | Две прозрачные пластины разделены разрежённым промежутком |
5. Кремнезёмный аэрогель
Аэрогель получают, когда жидкость в геле заменяют газом, сохраняя хрупкую сетку из твёрдого материала. В кремнезёмном аэрогеле большая часть объёма – микроскопические поры. Они сильно затрудняют перенос тепла, а если структура достаточно однородна, свет проходит через материал с небольшим рассеянием и характерным голубоватым оттенком.
Лаборатория Лоуренса в Беркли исследовала такие аэрогели для окон ещё в начале 1980-х годов. Это один из наиболее изученных прозрачных изоляторов, однако изготовление больших, прочных и недорогих панелей остаётся непростой инженерной задачей.
4. Прозрачная древесина
Прозрачную древесину создают, изменяя или удаляя часть светопоглощающих компонентов и заполняя структуру полимером с близкими оптическими свойствами. Свет проходит между волокнами, а сама древесная основа сохраняет рисунок и механическую структуру. В сравнении с обычным стеклом такой композит может лучше ограничивать теплопередачу и рассеивать прямой солнечный свет.
Пока это развивающееся направление материаловедения, а не замена готовым оконным системам. Исследователи изучают устойчивость к ультрафиолету, огню, влаге и старению. Его возможное преимущество – сочетание светового окна с природной фактурой и меньшим риском локального перегрева помещения.
3. Целлюлозный аэрогель
Вместо кремнезёма можно использовать целлюлозные нановолокна, полученные из растительной биомассы. Группа исследователей, описанная в журнале Nature Energy, изготовила прозрачный аэрогель, пропускающий около 97–99 процентов видимого света при низком рассеянии. Его можно разместить между стёклами как дополнительный слой, чтобы уменьшить теплопотери, не закрывая вид.
Такая структура интересна тем, что исходное сырьё возобновляемое, а процесс потенциально допускает масштабное рулонное производство. Главный вопрос – как соединить тонкий аэрогель с привычными оконными блоками так, чтобы он сохранял свойства при влажности, механических нагрузках и длительной эксплуатации.
2. MOCHI
MOCHI – сокращение от Mesoporous Optically Clear Heat Insulator, то есть оптически прозрачный мезопористый теплоизолятор. Исследователи Университета Колорадо разработали листовой материал с сетью мельчайших пор. Он выглядит почти прозрачным и может устанавливаться на внутренней стороне окна, помогая удерживать тепло без тяжёлого многослойного стеклопакета.
Пока MOCHI изготавливают только в лабораторном масштабе. В демонстрации учёные соединяли несколько слоёв с оконными стёклами, проверяя, как материал препятствует тепловому потоку. Это перспективный пример тонкой модернизации старого окна, но он ещё не стал массовым строительным продуктом.
1. Вакуумное стекло
В вакуумном остеклении два листа стекла разделяет очень узкий откачанный промежуток. В газовой полости остаётся мало молекул, которые могли бы переносить тепло конвекцией или теплопроводностью. Крошечные опоры не дают стёклам соприкоснуться под давлением воздуха, а специальное покрытие уменьшает перенос тепла излучением.
Университет Сиднея изготовил первые теплоизоляционные образцы вакуумного стекла в 1988 году и продолжает изучать их герметичность, долговечность и производство. По сравнению с аэрогельной плёнкой это более готовая оконная технология, но она требует надёжной кромки, а расстояние между пластинами должно оставаться герметичным годами.
Прозрачная теплоизоляция – это не один волшебный материал, а несколько способов ограничить разные пути передачи энергии. Пористые слои уменьшают теплопроводность, древесные структуры рассеивают свет, а вакуум убирает газовый перенос. Многие новинки пока лабораторные, поэтому решающими станут испытания на долговечность и доступное производство.