スマート屋根コーティングは夏は熱を反射し、冬は熱を閉じ込めます

バークレー研究所のエンジニアは、天候に応じて建物を暖かく、または涼しく保つことができる屋根コーティングを開発しました。 暖かくなると、この素材は太陽光と熱を反射しますが、冬にはこの放射冷却が自動的にオフになり、暖房と冷房の両方のエネルギー使用が削減されます。

放射冷却システムは、建物から熱放射 (つまり熱) を取り出し、それを空に放出することによって機能します。 大気はこれらの波長に対して透明であるため、熱はそのまま宇宙に逃げます。 他のバージョンでは、スーパーホワイトペイントのような反射面を使用して太陽光と熱を反射し、建物を涼しく保ちます。

しかし、これらのシステムは夏に家を涼しく保つのにはうまく機能するかもしれませんが、冬にも家を涼しく保ちます。 そこで、新しい研究のために、チームは、水銀が降下したときに自動的に熱を捕捉するように切り替えることができるコーティングを開発しました。 彼らはこの材料を温度適応型放射コーティング (TARC) と呼んでいます。

この技術の鍵となるのは、二酸化バナジウム（VO2）と呼ばれる奇妙な化合物です。 2017 年、チームは VO2 の異常な特性を発見しました。VO2 が 67 °C (153 °F) に達すると、その材料は電気を伝導しますが、熱は伝導しません。これは明らかに既知の物理学に違反しています。

今回、チームはこの特殊性を応用しました。 このアイデアは、天候が暖かくなると、材料が熱赤外線を吸収および放出し、建物から遠ざけるというものです。 しかし、天気が寒いときは、この材料は熱を透過し、太陽から建物まで熱が直接伝わります。

研究チームは、TARC の 2 cm2 (0.8 インチ 2) の薄膜パッチを使用してデバイスをテストし、市販の黒と白の屋根材のサンプルと比較しました。 無線デバイスは直射日光と温度の変化を測定しました。

そして案の定、TARC は驚くほどうまく機能しました。 測定によると、TARC は天候に関係なく太陽光の約 75 パーセントを反射しましたが、周囲温度が 30 °C (86 °F) を超えると、その熱の最大 90 パーセントが空に放出されました。 天候が 15 °C (59 °F) 未満に冷えたとき、TARC が放出した熱はわずか 20 パーセントでした。

研究チームは、収集したデータを使用して、米国本土の 15 の異なる気候帯で TARC が年間を通じてどのように機能するかをシミュレーションし、米国の平均的な家庭が TARC を使用することで電気代を最大 10% 節約できると推定しました。

研究者らは、TARCは自動車、電子機器、人工衛星、さらにはテントや衣類の生地などの温度調節材料としても応用できる可能性があると述べている。 興味深いことに、独立したチームが、有効成分の 1 つとして二酸化バナジウムのナノ粒子を使用した、ガラスと窓用の同様のコーティングを発表したところです。

次にチームは、より大きなTARCプロトタイプを使用して実験を実行し、それが屋根コーティングとしてどの程度実用的であるかをテストする予定です。

この研究はサイエンス誌に掲載されました。

出典: バークレー研究所