瑞士用新型水凝膠讓屋頂出汗 可減少60%耗能

    我們都知道，出汗是人體自我調(diào)節(jié)體溫的一種方式，汗液通過毛孔排出到皮膚表面，蒸發(fā)后會帶走一部分熱能，人也就涼快了一些。近日，瑞士的研究者利用一種新型水凝膠，發(fā)明出一種同樣能“出汗”的屋頂。通過它來給房屋降溫的話，房屋的耗能最多可以減少60%。

    瑞士聯(lián)邦理工學(xué)院的溫德林·斯達(dá)克（Wendelin Stark）的團(tuán)隊，一直對人體溫度自我調(diào)節(jié)機制很感興趣。“如果能讓房屋也具有這種功能，就能大大減少能量的消耗。”斯達(dá)克回憶他們最初的設(shè)想，“水當(dāng)然是最好的工具，因為它每蒸發(fā)一公斤，就能帶走2兆焦耳的熱量。”通過計算，他們發(fā)現(xiàn)只要5毫米厚的水層，就可以讓曝露在下午陽光下的屋頂保持涼爽。“但是，怎么讓它儲存在屋頂上，到有需要的時候再蒸發(fā)呢？這是問題的關(guān)鍵。”

    他們首先想到的是常見的醫(yī)療用pHEMA水凝膠。水凝膠是一種半固態(tài)的人造膠狀物質(zhì)，由親水性聚合物高分子鏈構(gòu)成，能吸收大量水分。我們熟悉的果凍、隱形眼鏡、還有寶寶退熱貼等，都屬于水凝膠制品。

    斯達(dá)克和同事將一層pHEMA水凝膠涂到了房屋模型的屋頂，并模仿熱帶國家的氣候，給它進(jìn)行人工降雨和日曬，但結(jié)果令人失望。“最表面的凝膠層很快就干了，里面的水蒸發(fā)得非常慢，根本起不到降溫效果。”

    要讓屋頂真正“出汗”，就必須找到一種物質(zhì)，讓它在熱的時候能自動將水分逼出來。斯達(dá)克想到了一種叫溫敏性水凝膠 (PNIPAM)的新型聚合物。一旦周圍溫度達(dá)到了32攝氏度，它就會自動將吸收的水分釋放出來。但這種物質(zhì)通常是溶于水的，沒法直接使用在屋頂上。

    “我們試著在水凝膠的高分子鏈之間增加交聯(lián)劑（一種在線型分子間起架橋作用的物質(zhì)，能使多個線型分子相互鍵合交聯(lián)成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)），用來降低它的溶解度，但這又影響了它的溫度敏感性。”

    調(diào)整過不同成分比例，他們發(fā)現(xiàn)，當(dāng)水凝膠含有5%的交聯(lián)劑時，既可以達(dá)到足夠的堅固性，溫度轉(zhuǎn)換性能也還是很出色。最后，斯達(dá)克的團(tuán)隊設(shè)計出了一種三明治式的屋頂覆蓋層：表面是薄薄的聚碳酸酯膜（Polycarbonate membrane），中間夾著一層水凝膠，底下再鋪一層聚氯乙烯薄層。

    在燦爛的陽光下，新型溫敏性水凝膠中儲存的水分會不斷蒸發(fā)，讓屋頂溫度一直維持在35攝氏度。一旦水分全部蒸發(fā)完，屋頂溫度立刻升到了60攝氏度。而采用醫(yī)用pHEMA水凝膠的話，屋頂濕度會迅速達(dá)到45攝氏度，然后再慢慢升至60攝氏度，效果顯然不如前者。 

    于是，興奮的實驗者們開始測試它應(yīng)用在屋頂時，房屋的能耗和溫室氣體排放量：在兩所一樣的房子中，在陽光的照射下，如果都用空調(diào)維持在20攝氏度（電力由火電廠提供），那么普通屋頂?shù)姆孔右荒昱欧诺亩趸际?20千克，而水凝膠屋頂?shù)姆课菀荒陜H僅排放了80千克！

    目前，斯達(dá)克已經(jīng)擁有了這種技術(shù)的專利，但他并不打算將其商業(yè)化。也許有一天，他們會讓熱帶國家的人民免費嘗試這種新產(chǎn)品。