ИИ помог разработать прозрачное оконное покрытие, способное охлаждать здания без потребления энергии

Эта оконная пленка (в пальцах вверху слева) сохраняет в помещениях свет и прохладу, пропуская видимый свет, отражая невидимый инфракрасный и ультрафиолетовый солнечный свет и излучая тепло в космическое пространство. Credit: Adapted from ACS Energy Letters 2022, DOI: 10.1021/acsenergylett.2c01969

В связи с изменением климата, усиливающим летнюю жару, растет спрос на новые эффективные технологии охлаждения зданий. Теперь ученые разработали прозрачное оконное покрытие, которое может снижать температуру внутри зданий, не затрачивая ни одного ватта энергии. Это удалось сделать с помощью передовых вычислительных технологий и искусственного интеллекта. Об этом исследователи сообщают сегодня (2 ноября) в журнале ACS Energy Letters.

По оценкам предыдущих исследований, на охлаждение приходится около 15% мирового потребления энергии. Снизить это потребление можно с помощью оконного покрытия, блокирующего солнечное ультрафиолетовое и ближнее инфракрасное излучение. Эти части солнечного спектра не видны человеку, но они обычно проходят через стекло и нагревают закрытое помещение.

Потребление энергии может быть еще больше снижено, если покрытие будет излучать тепло с поверхности окна на длине волны, проходящей через атмосферу в космическое пространство. Однако трудно разработать материалы, которые одновременно отвечали бы этим критериям и в то же время могли бы пропускать видимый свет, что необходимо для того, чтобы они не мешали обзору. Юнгкью Ли, Тенгфей Луо и их коллеги поставили перед собой задачу создать «прозрачный радиационный охладитель» (TRC), который мог бы справиться с этой задачей.

Группа создала компьютерные модели КИП, состоящих из чередующихся тонких слоев таких распространенных материалов, как диоксид кремния, нитрид кремния, оксид алюминия или диоксид титана, на стеклянной основе, покрытых пленкой полидиметилсилоксана. Для оптимизации типа, порядка и сочетания слоев использовался итерационный подход, основанный на машинном обучении и квантовых вычислениях, в которых данные хранятся с помощью субатомных частиц. Этот метод вычислений позволяет проводить оптимизацию быстрее и лучше, чем обычные компьютеры, поскольку позволяет эффективно тестировать все возможные комбинации за доли секунды. В результате был разработан дизайн покрытия, который при изготовлении превзошел характеристики традиционных КИП, а также стал одним из лучших коммерческих теплозащитных стекол на рынке.

По словам исследователей, в жарких и сухих городах оптимизированный TRC может потенциально снизить потребление энергии на охлаждение на 31% по сравнению с обычными окнами. Они отмечают, что полученные ими результаты могут быть применены и в других областях, поскольку TRC можно использовать в окнах легковых и грузовых автомобилей. Кроме того, разработанная группой методика оптимизации с помощью квантовых вычислений может быть использована для разработки других типов композитных материалов.

Ссылка: «High-Performance Transparent Radiative Cooler Designed by Quantum Computing» Seongmin Kim, Wenjie Shang, Seunghyun Moon, Trevor Pastega, Eungkyu Lee and Tengfei Luo, 2 ноября 2022 г., ACS Energy Letters . DOI: 10.1021/acsenergylett.2c01969

Авторы выражают благодарность за поддержку Национальному исследовательскому фонду Кореи и Центру исследовательских вычислений Нотр-Дам.