ペンシルバニア大学の研究者たちは、アフリカゾウのひび割れた皮膚を模倣することで、電力を必要とせずに建物を冷却できるセメントタイルを開発しました。これらのタイルは、制御されたひび割れネットワーク内で雨水や霧を捕捉し、蒸発を通じてゆっくりと水分を放出することで熱を取り除きます。関連研究は『Advanced Materials』誌に発表されました。このプロジェクトのチームは、建築家のDorit Avivと材料科学者のShu Yangが率いています。彼らのタイルは、化石化した藻類から派生した多孔質材料であるケイソウ土と普通ポルトランドセメントの混合物で作られています。
この組み合わせは、コストが低く、資源が豊富で、生産が容易です。
ペンシルバニア大学のセメントタイルは革新的な冷却機能を備えています
従来、セメントのひび割れ問題は欠陥と見なされていましたが、この研究ではそれをデザインの特徴と見なしています。制御された乾燥条件下で、ペンシルバニア大学のタイルは、従来のセメントが形成するランダムなひび割れではなく、予測可能なひび割れネットワークを発展させることができます。鍵となるのはケイソウ土です。そのミクロンおよびナノサイズの孔は、50ミリ秒以内に水分を吸収し、水滴が転がり落ちたり跳ね返ったりする時間よりも速いです。ひび割れネットワークはその後、毛細管系として機能し、水分をタイルの表面に導き、傾斜や垂直な表面でも効果的に水分を保持し、ゆっくりと蒸発させます。
Yang研究室のポスドク研究員であるYuは、「私たちは水を貯めることと水を移動させることは実際には二つの異なる問題であることに気づきました。」と述べています。プログラム可能なひび割れネットワークは、この二つの問題を同時に解決します。ペンシルバニア大学のチームは、赤外線加熱の下でタイルをテストし、定期的に水をかけて暑い晴れた日を模擬し、時折の降雨や灌漑を伴いました。その結果は顕著でした。ゾウの皮膚タイルの下では、表面温度が安定した89.6°F (32°C)に保たれました。一方、ひび割れた商業用モルタルセメントは吸水効率が低いため、温度が107.6°F (42°C)に達しました。
ひび割れのないモルタルセメントは125.6°F (52°C)に上昇しました。これはひび割れのない表面と比較して、最大で36°F (20°F)の差があります。Yangは、「この受動的なバイオミメティック冷却外装は、従来のモルタルセメントに比べて表面温度を10から20°F下げることができます。」と指摘しています。この技術は電力、冷媒、または可動部品を必要としません。タイルは蒸発によって建物を冷却する方法は、汗が人体を冷却するのと似ています。
アメリカの建物は、国内の主要エネルギーの約40%を消費しています。エネルギーのほぼ半分が暖房、冷却、換気に使用されています。従来のエアコンは室内温度の問題を解決しますが、外部の状況を悪化させます。廃熱を外部に直接排出し、密集した都市地域の環境温度を上昇させ、都市のヒートアイランド効果を悪化させます。受動的蒸発外装は周囲の環境に熱を追加することはなく、熱の吸収を遅らせ、水分を再び大気中に戻します。関与する材料であるポルトランドセメントとケイソウ土は、世界で最も一般的な建材の一つであり、この技術が実験室を超えた場合、コストと入手可能性が普及の障害になる可能性は低いことを意味します。
ペンシルバニア大学のチームのタイルは現在、概念実証の段階にあり、制御された条件下での実験室規模でのデモが行われています。商業的な普及の前に、完全な建物の外装と現実の天候条件でのテストが論理的な次のステップとなります。この研究は『Advanced Materials』誌に初めて発表されました。