Miasta podczas upałów nagrzewają się najszybciej. Beton, asfalt i gęsta zabudowa pochłaniają energię słoneczną, a nocą oddają zgromadzone ciepło. Efekt miejskiej wyspy ciepła sprawia, że temperatura w centrach miast bywa wyraźnie wyższa niż na terenach podmiejskich.
Badacze z Politechniki w Grazu (TU Graz) w Austrii postanowili wykorzystać zjawisko znane od stuleci, ale połączyli je z nowoczesnymi technologiami. Opracowali ceramiczne kostki drukowane w technologii 3D, które po napełnieniu wodą chłodzą otoczenie dzięki naturalnemu parowaniu.
To rozwiązanie może znaleźć zastosowanie zarówno we wnętrzach budynków, jak i w przestrzeni publicznej, gdzie tradycyjna klimatyzacja jest trudna do zastosowania lub zbyt kosztowna.
Chłodzenie przez parowanie zamiast klimatyzacji
Technologia opiera się na prostym zjawisku fizycznym. Gdy woda odparowuje, pobiera energię cieplną z otoczenia, obniżając temperaturę powietrza. Ta sama zasada od wieków wykorzystywana jest w glinianych dzbanach czy tradycyjnych wieżach wiatrowych spotykanych w gorącym i suchym klimacie.
Nowością jest sposób wykonania elementów chłodzących. Ceramiczne kostki o boku ok. 23 cm powstają z glinianej mieszanki w drukarce 3D. Następnie wypalane są w stosunkowo niskiej temperaturze, dzięki czemu zachowują bardzo dużą porowatość.
Ich wnętrze ma specjalną geometrię określaną jako TPMS (Triply Periodic Minimal Surface). Taka konstrukcja pozwala uzyskać ogromną powierzchnię parowania przy niewielkim zużyciu materiału. Woda jest rozprowadzana wewnątrz ceramiki dzięki siłom kapilarnym, a następnie stopniowo odparowuje z całej powierzchni kostki.
Grzybnia pomaga stworzyć jeszcze więcej porów
Zespół badawczy pracuje także nad kolejną wersją materiału. Do gliny dodawane są trociny oraz grzybnia, czyli sieć cienkich strzępek grzybów.
Po wydrukowaniu elementów i ich wypaleniu materia organiczna ulega spaleniu, pozostawiając rozbudowaną sieć mikroskopijnych i większych porów. Dzięki temu woda jeszcze łatwiej rozprzestrzenia się wewnątrz ceramiki, co zwiększa powierzchnię parowania i może poprawić skuteczność chłodzenia.
Naukowcy testują również mieszanki zawierające osady wydobywane z jeziora Nezyderskiego. Materiał ten jest regularnie usuwany, aby zapobiegać zarastaniu płytkiego akwenu, a dotychczas najczęściej trafiał na składowiska. Teraz może znaleźć zastosowanie jako surowiec do druku elementów budowlanych.
Testy pokazały spadek temperatury o niemal 7 stopni
Prototyp sprawdzono na poddaszu jednego z budynków TU Graz. W kontrolowanych warunkach, w bezpośrednim sąsiedztwie kostki wypełnionej wodą, temperatura spadła o prawie 7 stopni Celsjusza.
Jak podkreśla Kristijan Ristoski, autor pracy magisterskiej poświęconej integracji kostek z instalacją wodną w ścianie chłodzącej, efekt był odczuwalny w całym pomieszczeniu.
Na kampusie uczelni powstała już demonstracyjna ściana o wymiarach 2 × 2 m złożona z drukowanych ceramicznych modułów. Podobną instalację można również zobaczyć w Muzeum Percepcji w Grazu.
Badacze uważają, że tego typu rozwiązania mogłyby znaleźć zastosowanie w budynkach mieszkalnych, biurach, szkołach, na przystankach komunikacji miejskiej i w innych miejscach, gdzie mieszkańcy są szczególnie narażeni na skutki upałów. Celem projektu jest zapewnienie chłodzenia z wykorzystaniem naturalnego parowania zamiast energochłonnych systemów klimatyzacji.