MOCHI: Η «αόρατη» ασπίδα που υπόσχεται να εκμηδενίσει τις ενεργειακές απώλειες των κτιρίων

Μια επαναστατική εξέλιξη στον τομέα της ενεργειακής απόδοσης έρχεται από τα εργαστήρια του Πανεπιστημίου του Κολοράντο στο Boulder, όπου μια ομάδα φυσικών κατάφερε να συνθέσει ένα υλικό που συνδυάζει δύο φαινομενικά ασύμβατες ιδιότητες: την εξαιρετική θερμομόνωση και την απόλυτη διαφάνεια. Το νέο υλικό, με την κωδική ονομασία MOCHI (Mesoporous Optically Clear Heat Insulator), φιλοδοξεί να μετατρέψει τα συμβατικά παράθυρα σε πανίσχυρους ρυθμιστές θερμότητας, καταργώντας την ανάγκη για συμβιβασμούς μεταξύ φυσικού φωτός και εξοικονόμησης ενέργειας.

Το ενεργειακό αποτύπωμα των κτιρίων στο μικροσκόπιο

Για να αντιληφθούμε τη σημασία της ανακάλυψης, αρκεί να κοιτάξουμε τα νούμερα. Σε παγκόσμιο επίπεδο, τα κτίρια ευθύνονται για περίπου το 40% της συνολικής κατανάλωσης ενέργειας. Ένα τεράστιο ποσοστό αυτής της ενέργειας σπαταλάται κυριολεκτικά «από το παράθυρο», καθώς η θερμότητα διαφεύγει κατά τη διάρκεια του χειμώνα και εισβάλλει ανεξέλεγκτα τους καλοκαιρινούς μήνες.

Μέχρι σήμερα, η λύση στο πρόβλημα της μόνωσης ήταν απλή αλλά περιοριστική: προσθήκη υλικών στους τοίχους. Όπως όμως επισημαίνει ο καθηγητής Φυσικής Ivan Smalyukh, επικεφαλής της ερευνητικής ομάδας, «για να μπλοκάρεις την ανταλλαγή θερμότητας, μπορείς να βάλεις άφθονη μόνωση στους τοίχους, αλλά τα παράθυρα πρέπει να παραμένουν διαφανή». Αυτή η θεμελιώδης απαίτηση για ορατότητα αποτελούσε μέχρι τώρα τον μεγαλύτερο σκόπελο για τους επιστήμονες υλικών.

Η αρχιτεκτονική του «αόρατου»

Το MOCHI έρχεται να καλύψει αυτό το κενό με έναν ευφυή τρόπο. Πρόκειται για ένα τζελ σιλικόνης με μια εξαιρετικά περίπλοκη εσωτερική δομή. Φανταστείτε το σαν ένα είδος εξελιγμένου αεροπλάστ (bubble wrap), σχεδιασμένο όμως όχι για συσκευασία, αλλά για θερμική διαχείριση. Το μυστικό του κρύβεται στους μικροσκοπικούς θύλακες αέρα που περιέχει, οι οποίοι είναι παγιδευμένοι μέσα σε πόρους πολύ λεπτότερους από μια ανθρώπινη τρίχα.

Στην πραγματικότητα, ο αέρας καταλαμβάνει πάνω από το 90% του όγκου του υλικού. Αυτό που κάνει το MOCHI να ξεχωρίζει από άλλους γνωστούς μονωτές, όπως οι αερογέλες (aerogels), είναι η διάταξη αυτών των πόρων. Ενώ στις αερογέλες οι πόροι είναι ατάκτως ερριμμένοι, προκαλώντας τη σκέδαση του φωτός και δίνοντας στο υλικό μια θολή όψη (γνωστή και ως «παγωμένος καπνός»), στο MOCHI η δομή είναι τόσο οργανωμένη που επιτρέπει στο φως να περνά ανεμπόδιστα. Το αποτέλεσμα είναι ένα υλικό που αντανακλά μόλις το 0,2% του εισερχόμενου φωτός, παραμένοντας σχεδόν κρυστάλλινα διαυγές.

Φυσική σε επίπεδο νανοκλίμακας

Ο μηχανισμός με τον οποίο το MOCHI σταματά τη ροή της θερμότητας είναι ένα μάθημα φυσικής σε μικρογραφία. Η θερμότητα στα αέρια μεταδίδεται μέσω των συγκρούσεων μεταξύ των μορίων, θυμίζοντας μια αλυσιδωτή αντίδραση σε τραπέζι μπιλιάρδου. Όταν τα μόρια κινούνται γρηγορότερα λόγω ενέργειας, συγκρούονται μεταξύ τους και μεταφέρουν τη θερμότητα.

Μέσα στο MOCHI, όμως, οι πόροι είναι τόσο στενοί που τα μόρια του αέρα δεν προλαβαίνουν να συγκρουστούν μεταξύ τους. Αντίθετα, προσκρούουν συνεχώς στα τοιχώματα της σιλικόνης. Αυτός ο περιορισμός της κίνησης εμποδίζει τη διάδοση της θερμικής ενέργειας, καθιστώντας το υλικό έναν εξαιρετικό θερμικό φραγμό. Είναι χαρακτηριστικό ότι ένα φύλλο πάχους μόλις 5 χιλιοστών παρέχει τόση προστασία, που επιτρέπει σε κάποιον να κρατήσει άφοβα μια φλόγα στην άλλη πλευρά του, χωρίς να καεί.

Η διαδικασία παραγωγής: Από τη σαλάτα στο εργαστήριο

Η κατασκευή του υλικού βασίζεται σε μια διαδικασία αυτο-οργάνωσης των μορίων. Οι ερευνητές αναμειγνύουν ειδικές επιφανειοδραστικές ουσίες με ένα υγρό μείγμα, δημιουργώντας δομές που θυμίζουν τον τρόπο που το λάδι διαχωρίζεται από το ξύδι. Τα μόρια σιλικόνης προσκολλώνται σε αυτές τις δομές και, μετά από μια σειρά ειδικών επεξεργασιών, οι ερευνητές αφαιρούν το αρχικό "καλούπι", αφήνοντας πίσω τον άκαμπτο σκελετό σιλικόνης με τους εγκλωβισμένους αεραγωγούς. Ο Smalyukh περιγράφει χαριτολογώντας αυτή την περίπλοκη δομή ως «εφιάλτη του υδραυλικού», λόγω του δαιδαλώδους δικτύου των μικροσκοπικών καναλιών.

Προοπτικές και επόμενα βήματα

Αν και το MOCHI βρίσκεται προς το παρόν σε εργαστηριακό στάδιο, οι προοπτικές εφαρμογής του είναι τεράστιες. Πέρα από την προφανή χρήση σε οικιακά και επαγγελματικά παράθυρα για μείωση των λογαριασμών θέρμανσης και ψύξης, το υλικό θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί σε συστήματα συλλογής ηλιακής ενέργειας, δεσμεύοντας θερμότητα ακόμη και σε συννεφιασμένες ημέρες.

Το γεγονός ότι τα συστατικά του είναι σχετικά φθηνά και η βάση του είναι η σιλικόνη, δημιουργεί αισιοδοξία για τη δυνατότητα μαζικής παραγωγής στο μέλλον. Η ομάδα του CU Boulder εργάζεται ήδη πάνω στη βελτιστοποίηση των μεθόδων κατασκευής, με στόχο να βγάλει το υλικό από το εργαστήριο και να το εντάξει στην πραγματική αγορά.