Цементная плитка по принципу кожи слона обеспечит пассивное охлаждение зданий

Обратив внимание на микрорельеф кожи африканских слонов, задерживающий драгоценную влагу, ученые из Пенсильванского университета создали бюджетную плитку из цемента. Материал аккумулирует воду и постепенно отдает её в атмосферу, преобразуя привычный дефект структуры в эффективный инструмент терморегуляции зданий.

В период экстремального летнего зноя естественным спасением для человеческого тела служит потоотделение. Незаметно испаряясь, микрокапли уносят избыточную тепловую энергию. Хотя этот процесс часто воспринимается как дискомфорт, с точки зрения биомеханики это один из наиболее совершенных механизмов терморегуляции в живой природе.

Впрочем, далеко не вся фауна обладает потовыми железами. К примеру, африканский слон благополучно переносит беспощадный зной саванны под покровом массивной темно-серой шкуры толщиной в несколько сантиметров. За счет чего же исполин избегает перегрева?

«Секрет кроется в микроскладках, — поясняет доцент архитектурного факультета Школы дизайна Вейцмана Дорит Авив. — Кожный покров слона покрыт густой сеткой микротрещин, великолепно удерживающей воду. Обливаясь, животное запасает жидкость в этих бороздках, откуда она неторопливо испаряется, обеспечивая длительный охлаждающий эффект».

Концепцию бескомпрессорного охлаждения архитектурных конструкций Авив предложил ее давний соавтор Шу Ян, ведущий материаловед инженерной школы Пенсильванского университета. Идея заинтриговала архитектора, специализирующуюся на термодинамической оптимизации городской среды в эпоху климатических изменений, ведь строительные конструкции лишены способности потеть естественным образом.

В публикации для журнала Advanced Materials Авив, Ян и ученый из Сиракузского университета Кун-Хао Ю описали реализацию этой биомиметической концепции: инновационную цементную плитку, способную поглощать, удерживать и постепенно отдавать влагу, охлаждая фасады без применения вентиляторов, компрессорных установок и подвижных механических узлов.

Максимальное охлаждение без компрессорных агрегатов

В ходе испытаний с цикличным увлажнением и интенсивным инфракрасным облучением температура под поверхностью новых плит стабильно держалась на отметке 32 °C. При аналогичных условиях стандартная трещиноватая штукатурка прогрелась до 42 °C, а гладкая монолитная отделка достигла критических 52 °C.

«Жители США проводят в зданиях до 90% своего времени, а на обслуживание инфраструктуры сооружений приходится порядка 40% всей первичной энергии, причем почти половина этой доли расходуется на кондиционирование, вентиляцию и отопление, — подчеркивает Ян. — Фасадное покрытие пассивного типа, созданное по природным образцам, способно уменьшить температуру ограждающих конструкций на 6–11 °C относительно классической штукатурки».

В противовес традиционным климатическим установкам, сжигающим углеводороды и перегревающим городские улицы за счет сброса тепла наружу, данная разработка является абсолютно автономной системой, снижающей температуру непосредственно внешней оболочки здания.

Трансформация трещин в микрокапилляры

На теоретическом уровне механизм прост: необходимо задержать воду для последующего испарения, задействовав скрытую теплоту фазового перехода. Но на практике большинство типовых стройматериалов не подходят для этой роли: жидкость на них либо собирается в капли и стекает, либо отскакивает от плоскости, не успевая запустить процесс теплоотвода.

Перед инженерами встала задача спроектировать рельеф, эффективно распределяющий каждую каплю для предельной теплоотдачи, что и привело к идее использования контролируемого растрескивания.

Непрерывная подача влаги на образцы с сеткой микротрещин (содержание диатомита: 0 мас.% и 50 мас.%) при наклоне под углом 60°. Источник: Advanced Materials (2026). DOI: 10.1002/adma.202523133

«В строительной индустрии появление трещин традиционно считается сигналом деградации и снижения прочности, — отмечает Ян. — Однако точный контроль над их зарождением позволил нам сформировать разветвленную систему микроканалов-капилляров, перекачивающих и удерживающих жидкость по всей плоскости».

Техпроцесс базируется на соединении рядового портландцемента с диатомитом (окаменелыми остатками одноклеточных диатомовых водорослей). После отливки пластин и их частичного отверждения образцы подвергают сушке в строго заданном температурно-влажностном режиме. В процессе усадки возникающие внутренние напряжения релаксируют по заданной траектории, формируя упорядоченную ячеистую сетку вместо хаотического разрушения структуры.

«Мы осознали фундаментальную разницу между задачами удержания влаги и её гидродинамического транспорта», — комментирует Ю, проводивший эти опыты в статусе постдока лаборатории Яна.

«Микропоры в толще цементного композита выполняют функцию резервуаров мгновенного впитывания, тогда как искусственно наведенная капиллярная сеть служит магистралями распределения влаги. Синергия этих механизмов исключает бесполезные потери воды и удерживает её на фасаде».

Попадая на плитку, жидкость всасывается за считаные миллисекунды, минуя фазу рикошета. Попадая в гексагональную ячеистую структуру микротрещин, влага распространяется во всех направлениях, преодолевая даже силу гравитации на вертикалях и уклонах. Продлевая фазу увлажнения, шестигранная конфигурация заставляет потоки двигаться латеральным зигзагом, а не стекать напрямую, гарантируя стабильное испарительное охлаждение на протяжении вплоть до 20 часов.

Проектирование с акцентом на энерго- и водоэффективность

Перспективы разработки кроются в ее технологической лаконичности. Авторы проекта доказали возможность механизированного нанесения диатомито-цементного раствора распылителем на масштабные площади, что делает процесс производства на стройплощадке высокорентабельным и легко масштабируемым.

«Аномально высокие температуры превратились в ключевой климатический риск для человечества, в то время как архитекторы десятилетиями стремились изолировать строения от природной среды, — констатирует Авив. — Создавая материалы, действующие в синергии со средой, а не вопреки ей, мы сможем кардинально пересмотреть принципы урбанистического комфорта».

В дальнейшей перспективе авторы видят внедрение «умных» автоматизированных комплексов орошения, синхронизированных с актуальными метеоданными, что позволит точно дозировать увлажнение стен перед наступлением пиковых температурных нагрузок.

«Разобравшись в динамике движения жидкости по микрорельефу, мы можем перейти от неизбирательного распыления к прецизионному гидродинамическому управлению, — резюмирует Ю. — Интеграция текстурированных панелей, локальных метеопрогнозов и смарт-систем дозирования обеспечит предельное охлаждение при строгой экономии водных ресурсов».

Источник