A különböző építmények energiaigénye világszerte nagyjából 30%-át teszi ki a teljes energiafelhasználásnak. Ezek egyik leggyengébb láncszeme pedig az energiatakarékosság szempontjából az ablak. Bár az évek során sok újítás jelent meg, még ma is nagy problémát okozhat sok épületben az ablakon keresztül leadott hőmennyiség, különösen a téli hónapokban. Az okos ablakokat már évek óta próbálják tökéletesíteni, a Torontói Egyetem kutatói pedig talán minden eddiginél közelebb kerültek ehhez ígéretes fejlesztésükkel, melynek segítségével majdnem a felére csökkenthető az energiafelhasználás.

Hogyan készül az üveg?

Az üveg egy amorf szervetlen anyag (szerkezetében nincs szabályos ismétlődés). A feljegyzések szerint üveget már nagyjából 5000 évvel ezelőtt is állítottak elő az ókori Egyiptomban. Alapanyaga általában a szilícium-dioxid (legtöbbször homokból), amelyet felhevítenek, megolvasztanak, majd lehűtenek, ekkor ez kristályszerkezet kialakulása nélkül megszilárdul, elnyerve végleges formáját. Ezt nevezzük szilikátüvegnek, ehhez még rengeteg további adalékanyagot szoktak adni gyártás közben, amelyek mind képesek befolyásolni az üveg tulajdonságait. Például a vegyiparban, ahol jó ellenálló képességre és hőmérséklettűrésre van szükség, általában boroszilikát üveget alkalmaznak [1].

Mit nevezünk okos üvegnek?

Az okos üveg nem új keletű fogalom, már a nyolcvanas években felmerült a gondolata annak, hogy valamilyen módon jó volna szabályozni az ablaküveg által beengedett fényt. Így jött létre svéd kutatók ötlete nyomán az elektrokróm üveg, amely áram segítségével tudta változtatni a fényáteresztő képességet. Ez úgy nézett ki, mintha egy szendvicset készítettek volna, ahol a „kenyér” szerepét az üveg vette át, köztük két belső elektróda (pozitív és negatív töltésű), legbelül pedig egy elektrolitréteg helyezkedett el. Ha erre a rendszerre feszültséget kapcsolnak, a pozitív töltésű ionok elkezdenek vándorolni a két elektróda közötti elektrolitrétegben. Ennek hatására pedig a rendszer a látható fényt és egyes infravörös sugarakat képes blokkolni. Ez egészen addig így marad, amíg egy újabb impulzus elindít egy ellentétes reakciót, amely újra átlátszóvá teszi az üveget.

Ezt a technológiát alkalmazzák ma is egyes autók napfénytetőinél, illetve hajók és repülők ablakainál is. Ennek létezik olyan változata is, ahol az ablak alapvetően opálos, szinte nem látszik át, és elektromos áram hatására válik ismét átlátszóvá. Az ilyen és ehhez hasonló technológiák jelentősen meg tudják könnyíteni a lakók életét, azonban beszerelésük bonyolult, nagy szakértelmet igényel és rendkívül költséges, hiába olcsók viszonylag az előállításhoz szükséges alapanyagok.

Hőre reagáló üvegek

Egy másik megközelítés szerint a két üveglap közé nem elektródákat, hanem hőre változó tulajdonságú anyagot helyezve visszaverhetők vagy akár el is nyelhetőek egyes sugarak. Az egyik ilyen, sokak által tanulmányozott vegyület a vanádium-dioxid (VO₂), amely 68 °C környékén képessé válik az infravörös sugárzás visszaverésére, így naposabb időben a látható fényt áteresztve világosabbá teszi a szobát, mégsem melegíti fel olyan mértékben, mint átlagos társai. Más megoldások is születtek, amelyek inkább a sugarak elnyelésére koncentrálnak, mint visszaverésére. Nemrégiben sikerült azt is elérni egy bizonyos összetételű kompozittal, hogy hűvösebb időben az átlagosnál kevesebb infravörös sugárzást nyeljen el, több hőt beengedve például a téli hónapokban. Ezzel szemben nyáron több sugarat képes elnyelni, ezáltal kellemesebb hőmérsékleten tudja tartani a szobát.

Két szingapúri kutató ennél is tovább ment, és rájött, hogy egyes esetekben meg lehet oldani, hogy az ablakok képesek legyenek a hő tárolására. Ehhez egy speciális anyagra van szükség, amit a két üveglap közé helyeznek. Ez az úgynevezett „hidrofolyadék” – víz és hidrogél keveréke –, amely 30 °C alatt átlátszóvá teszi az ablakot a hidrogél tulajdonságainak köszönhetően, a benne lévő víz nagy fajhője révén pedig meleg, napsütéses időben képes a hőt elnyelni, amit később, a hűvösebb napokon szépen lassan lead, ezzel is fűtve a szobát. Ezzel a módszerrel akár harmadára csökkenthetők az energiaköltségek az átlagos ablakokkal szemben.

A „folyékony üveg”

A legújabb, több rétegből álló úgynevezett „folyékony üveg” ötlete az állatvilágból ered. A Torontói Egyetem munkatársai többek között egyes tintahalak és a párduckaméleon esetéből inspirálódtak. A szóban forgó állatoknak a bőrén belül több réteg található, amelyeknek az optikai tulajdonságait az állatok képesek változtatni, így ezek elnyelhetnek vagy visszaverhetnek különböző hullámhosszú fényeket. Ezek alapján létrehoztak egy olyan, poli(metil-metakrilát), ismertebb nevén PMMA alapú műanyag lapot, amelyet milliméter vastagságú csatornák járnak át a folyadék áramlását biztosítandó. 

Felhasználástól függően különböző keverékeket lehet hozzáadni a csatornákban alkalmazott vízbázisú folyadékhoz. Mivel több réteget is egymásra lehet illeszteni, így megoldható az is, hogy az egyes rétegeken belül elhelyezkedő folyadékok különböző optikai feladatot lássanak el. Az egyikkel például bizonyos hullámhosszú fényt tudunk kiszűrni (többek között a közeli infravörös sugarakat is), egy másik réteg segítségével pedig a beengedett fényt szórjuk szét úgy, hogy ez egyenletesebb eloszlást eredményezzen szobánkban. Az áramló folyadékot pedig egy digitálisan vezérelt injektor képes a csatornákba pumpálni, így használata sem túl bonyolult [2].

Az innováció egyelőre tesztelés alatt áll. A kutatók a jövőben igyekeznek ezt a terméket felhasználni egy egész épület ablakainak lecserélésére, ahol remélhetőleg sikerül nagyobb léptékben is megoldani a „folyékony” üveg működését.

Mennyit csökkenthet az árakon, a környezet terhelésén?

Az új fejlesztés célja az épületek energiafelhasználásának csökkentése, ezenfelül a környezetszennyezés minimalizálását is szem előtt tartják. A különböző építmények ugyanis az egyik legfőbb energiafelhasználók a világon, a teljes energiaigény 32,4%-át ezek teszik ki azáltal, hogy a változó időjárási körülményekhez mérten kielégítik a benne tevékenykedő emberek igényeit [3]. Ezzel az üvegházhatású gázok kibocsátásának negyedéhez járulnak hozzá világszerte, nagy mértékben szennyezve a környezetet. Egyes előrejelzések szerint pedig ennek nagysága a század közepére megduplázódhat vagy akár meg is triplázódhat [4]. Éppen ezért fontos, hogy ahol csak lehet, igyekezzünk spórolni az energiával. Így például az sem mindegy, hogy a tetőtérbe milyen ablakokat szerelünk be. Erről korábbi cikkünkben már írtunk.

Kapcsolódó bejegyzések

Jó tetőablakkal a fűtési költséged is csökken

Jól kiválasztott tetőablakkal csökkentheted az fűtési költségeket. És ha most vágsz bele még az uniós támogatást is megcsíped.

A múltban feltalált ablakokhoz kapcsolódó innovációk is segítettek kisebb-nagyobb mértékben az energiaprobléma megoldásán, de legtöbbször csak a fény intenzitásán tudtak csökkenteni. Az okos üvegek ennél több mindenre képesek, amivel már bizonyos mértékig mérsékelhető egy épület energiafelhasználása. A „folyékony” ablak legnagyobb előnye viszont az, hogy képes szelektíven elnyelni, illetve visszaverni bizonyos sugarakat, amivel bőven túlszárnyalja például az elektrokróm üvegek teljesítményét. Ezen előnyös tulajdonságával az elektromosáram-felhasználást 10%-kal, a fűtési energiaigényt közel felére, a hűtésre alkalmazott energiát pedig negyedére csökkentheti, rendesen leapasztva a költségeket [2].

További előnyei közé tartozik, hogy viszonylag egyszerű és olcsó alapanyagokkal dolgozik, így nagyobb léptékben történő gyártása is könnyebben megoldható. A rétegekben felhasznált vízbázisú folyadékok pedig könnyedén cserélhetők, nagyrészt újrahasznosíthatók és mindenekelőtt nem károsak a környezetre. Mivel sok energiát megspórol, az épületeket remélhetőleg idővel eljuttatja arra a szintre, hogy ne kelljen külső energiaforrást használniuk.

Összegzés

Folyamatosan fejlődő világunkban egyre több az építmény úton-útfélen, így fontos, hogy a lehető legzöldebben üzemeltessük őket. Ezekkel a felfedezésekkel, ha még nem is sikerül teljesen eljutni a fenntartható épületekig, nagyon jó úton haladunk a kibocsátásmentes házak felé.

Források:

[1] I. Kovács, Általános kémiai laboratóriumi gyakorlatok (egyetemi jegyzet), 2012.

[2] Kay, Raphael, et al., Multilayered optofluidics for sustainable buildings. (Proceedings of the National Academy of Sciences, 2023)

[3] International Energy Agency, CO2 Status Report 2017 (IEA, Paris, France, 2018).

[4] O. Edenhofer, Climate Change 2014: Mitigation of Climate Change (Cambridge University Press, 2015), vol. 3.