NOVÁ TŘÍDA SPECIÁLNĚ NAVRŽENÝCH MATERIÁLŮ JE I NA PŘÍMÉM SLUNCI CHLADNĚJŠÍ NEŽ OKOLNÍ VZDUCH Když byl podnikatel Howard Bisla pověřen záchranou místního obchodu před finančním krachem, jednou z jeho prvních obav byla spotřeba energií. V červnu 2018 se obrátil na svého místního dodavatele elektřiny v kalifornském Sacramentu ohledně modernizace světel. Dodavatelská firma měla další nápad. Nabídla mu instalaci experimentálního chladicího systému: panelů, které zůstávají chladnější než jejich okolí, dokonce i pod planoucím horkým sluncem, aniž spotřebovávají energii. Na střeše obchodu tak dnes míří směrem k nebi desítky hliníkových panelů. Jsou potaženy tenkou chladicí fólií, pod nimi se pak táhnou desítky metrů trubek s chladicí kapalinou, kterou rozvádějí do obchodu. „Ani v horkém dni nejsou horké,“ řekl Bisla na sklonku roku 2019 časopisu Nature. Společně s novými světly vedla instalace panelů ke snížení spotřeby elektřiny o 15 %. Snímek v infračerveném spektru ukazuje „superchladivý“ panel před budovou Columbia university v New Yorku /Foto: Jyotirmoy Mandal/Ukázka superchladivého dřeva /Foto: InventWood/„Superchladivé“ panely na střeše obchodu v kalifornském Sacramentu /Foto: Aaswath Pattabhi Raman/ JAK SE ZCHLADIT NA SLUNCI Panely vznikly díky práci vědců ze Stanfordské univerzity v Kalifornii. V roce 2014 tamní tým oznámil, že vytvořil nový materiál s vlastnostmi, které v přírodě nenajdete (někdy se pro takové materiály používá označení metamateriál). Dva členové původního týmu, Shanhui Fan a Aaswath Raman, pak s dalším kolegou Elim Goldsteinem založili start-up Sky-Cool Systems – firmu, která nakonec Bislovi dodala jeho panely. Od té doby firma ve spolupráci s dalšími vědci vytvořila celou řadu dalších materiálů, jež s původním vzorkem sdílejí neobyčejnou vlastnost, že zůstávají v chladu i na přímém světle: speciálních „chladných“ nátěrů, barev i speciálně ošetřeného dřeva. Všechny tyto materiály se spoléhají na již dlouho známý mechanismus sálání proti obloze. Každý člověk, budova a objekt na Zemi vyzařují teplo, ale naše atmosféra se chová jako deka, záření z velké části zachycuje, a teplo tedy zadržuje. Ovšem ne zcela všechno: infračervené paprsky o vlnové délce 8 až 13 μm procházejí zemskou atmosférou lépe než záření v jiných oblastech. Naše atmosféra je pro ně velmi dobře průhledná, a tak snadno unikají do chladného vesmíru. Praktické využití jevu omezuje fakt, že sálání je v případě běžných materiálů možné pouze v noci. Ve dne na povrch dopadá mnohem více slunečního světla, než kolika je možné se zbavit sáláním, a tak celková bilance vychází nepříznivě: běžné materiály se prostě na slunečním světle zahřívají. To u nových – někteří vědci říkají „superchladivých“ – materiálů neplatí. Jejich podstata je přitom jednoduchá: v podstatě jde o materiály, které odrážejí co nejvíce světla ve všech oblastech spektra mimo 8–13μm části infračerveného spektra. To jen proto, aby se na běžném světle tento materiál nezahříval příliš. Ve vybrané oblasti naopak teplo z okolí přímo „hltá“. Ovšem pouze kvůli tomu, aby ho pak mohl vyzářit přímo do vesmíru, samozřejmě za podmínky, že panely jsou pod širým nebem a namířeny do vesmíru. Díky tomu mohou zůstávat i během dne o několik stupňů chladnější než okolní vzduch (v noci je efekt větší). V suchých a horkých oblastech může být rozdíl až 10 °C. V oblastech s vyšší vzdušnou vlhkostí (tedy třeba i v České republice) je rozdíl teplot menší, protože část unikajícího tepla zachycuje vodní pára v atmosféře. Z OPAČNÉHO KONCE Hledání sálavých materiálů použitelných i ve dne začalo v hlavě Aaswatha Ramana v roce 2012. Pracoval na své dizertaci o materiálech vhodných pro získávání energie ze slunce, když narazil na práce o této problematice. Když zjistil, že se tématu nikdo příliš nevěnoval, rozhodl se alespoň přibližně spočítat, jaké by musely být vlastnosti materiálu, který by dokázal vyzařovat teplo i během dne. Zjistil, že aby více tepla ztrácel, než vyzařoval, musí pohlcovat méně tepla než běžná bílá barva a odrážet alespoň 94 % dopadajícího slunečního záření v rozsahu od 200 nm do 2,5 μm. Ve „vyzařovacím“ pásmu 8–13 μm musí být účinnost pohlcování i vyzařování téměř stoprocentní. Stačí jen o něco méně a materiál se bude ohřívat. Po diskusi s dalším budoucím kolegou ze start-upu, Shanhuiem Fanem, dospěli oba mladíci k závěru, že takový materiál je možné vyrobit. Musí být ovšem pečlivě navržen na mikroskopické úrovni: musí totiž obsahovat „nanostruktury“ takových rozměrů, aby umožnily průchod jen světla těch vlnových délek, které má materiál pohlcovat. Skupina teoreticky spočítala, jak by povrch takového materiálu mohl vypadat, a v roce 2013 své výsledky publikovala v odborném časopise Nano Letters. Vědci se pokusili získat prostředky na praktický pokus a podali si projekt k agentuře ARPA-E. Jde o malou americkou státní agenturu na podporu „šílených“ nápadů v oblasti energetiky. ARPA-E nemá na poměry amerického státního rozpočtu k dispozici velké prostředky, cca kolem 360 milionů dolarů (9 miliard korun) ročně. Je ovšem ochotna financovat i velmi riskantní projekty, pokud se zdá, že by mohly mít v budoucnosti značný ekonomický či technologický dopad. Raman a Fan narazili v agentuře na pochopení a dostali 400 tisíc dolarů a rok na to, aby materiál sestrojili. Aby se vešli do rozpočtu, vědci materiál proti původního návrhu výrazně zjednodušili a sáhli po osvědčených materiálech. Složili do sendviče materiály silně odrazivé (z oxidu hafničitého) a méně odrazivé vrstvy (ze skla). Jejich pořadí i tloušťka a množství byly nastaveny tak, aby materiál odrážel co nejvíce světla mimo danou oblast. Prototyp skutečně fungoval: při slunečním příkonu kolem 850 W/m2 byl o 5 °C chladnější než okolní vzduch. Nejde o nijak úžasné hodnoty, protože 850 W/m2 je méně, než kolik dopadá na povrch v našich zeměpisných šířkách během letního poledne; na povrch totiž může dopadat až zhruba 1 000 W/m2. Přesto šlo o důkaz, že v principu je chlazení sáláním možné i ve dne, a ARPA-E tak v následujících letech financovala ještě další podobné projekty. JDE TO RŮZNĚ Zajímavý byl především projekt skupiny z Coloradské univerzity, jehož výsledky byly zveřejněny v roce 2017. Jejich materiál byl za prvé účinnější, protože z jednoho metru čtverečního povrchu dokázal během praktického pokusu vyzářit více energie, a tedy účinněji chladil: místo 40 W/m2 vyzářil i během poledne 93 m/m2. Především však byl použitý materiál levný, a lze ho poměrně jednoduše tisknout (roll-to-roll) s nízkými náklady. Skupina totiž pracovala s levnými materiály, plastem a skleněnými kuličkami o průměru jednotek mikrometrů, protože ty při této velikosti silně září v oblasti 8–13 μm. Tento i další pokusy ukazují, že materiál, který sálá proti obloze i během dne, lze vytvořit z levných ingrediencí. Je to dáno tím, že v žádoucí oblasti infračerveného spektra sálá množství molekul s relativně běžnými chemickými vazbami (například uhlík-uhlík či uhlík-fluor), které jsou běžnou součástí řady polymerů, tedy velkých molekul, tzv. makromolekul. Coloradský tým toho využil k vytvoření „superchladivého“ dřeva. I to obsahuje makromolekuly, které vyzařují ve vhodné části spektra. Bylo ho „pouze“ nutné zbavit klíčové molekuly, ligninu, jež mu dává barvu, a vzniklo bílé dřevo, které se i na slunci téměř nezahřívá. Ovšem lignin zajišťuje mimo jiné rovněž pevnost dřeva, a pak materiál je nutné ještě stlačit, aby došlo ke srovnání vláken ve dřevě a zvýšila se jeho schopnost zářit v infračerveném spektru (tj. zbavovat se přebytečného tepla). KDO TO POSTAVÍ Hned několik výzkumných skupin v současné době spolupracuje s firmami na možné komercializaci nápadu v různých podobách, od hliníkových panelů po nátěry, které také ve zvýšené míře odrážejí světlo. Vědci dokonce založili malou firmu, která chce prosadit do praxe „superchladivé“ dřevo. Jak se jim bude dařit, to v tuto chvíli není jasné. Zastánci tvrdí, že vliv technologie může být veliký a metoda může během denních špiček snižovat nárůst poptávky po energeticky náročném chlazení a klimatizaci. „Věřím, že za čtyři až pět let budou systémy denního chlazení proti obloze v oboru budov jednička,“ řekl pro časopis Nature Mattheos Santamouris z University of New South Wales v australské univerzitě v Sydney, který sám pracuje na vylepšení těchto materiálů. (Dodejme, že uvažuje především v místních podmínkách a v chladnějších a vlhčích oblastech Země se tak rychlý rozvoj rozhodně nedá očekávat.) Někteří vědci dokonce navrhují, že by tyto materiály mohly najít vy- užití v geoinženýrských projektech, tedy projektech přímého ovlivňování pozemského klimatu. Logika je na pohled jednoduchá: prostě bychom s jejich pomocí „přiměli“ Zemi, aby se zbavovala přebytečného tepla. Podobné myšlenky mají ovšem řadu odpůrců, kteří poukazují na možná rizika, navíc by šlo o projekty extrémně drahé a náročné – zatím tedy spadají spíše do oblasti sci-fi. Velkolepé plány zastánců celého konceptu je nutné zatím ovšem brát s rezervou. Odhady možné úspory energie jsou založeny zatím na velmi kusých údajích a na zkouškách malých vzorků v několika málo instalacích. Objevují se tedy velmi pochopitelné pochybnosti o schůdnosti využití této technologie v různých zeměpisných šířkách a podnebích. Nemáme k dispozici ani údaje o tom, jak dobře materiály snášejí delší nasazení, a zda se například jejich sálavé vlastnosti postupně příliš výrazně nezhorší. Jedním problémem „superchladivých“ materiálů na budovách je, že v chladnějším klimatu by během zimy mohly zvyšovat náklady na topení. Existují různé nápady, jak tomu čelit. Jeden start-up navrhuje vyplnit póry v materiálu izopropanolem, což v důsledku zcela změní vlastnosti materiálu, a ten začne teplo naopak pohlcovat. Ale problém i jeho řešení zatím existují pouze na papíře. Další velkou neznámou je přístup možných zákazníků, kteří jsou leckdy k možným úsporám energie nečekaně hluší. Ani v teplém klimatu není všeobecným zvykem důsledně využívat na budovy reflexních bílých barev, které odrážejí přicházející sluneční záření. Nemluvě o případné pravidelné obnově nátěru. Pravda, sálavé materiály použitelné i v přímém slunečním světle mohou možné úspory výrazně navýšit, to samo o sobě úspěch nezaručuje. Ovšem fyzikové mají čas. „Superchladivé“ materiály jsou stále ještě velmi mladé a nezralé. Možná že nakonec najdou zcela jiné využití, než jejich autoři původně předpokládali, v každém případě je těžké si představit, že tak šikovný „trik“ si nenajde vůbec žádné. jj
