Superokna

Z pomocą kalifornijskiej firmy View port lotniczy Dallas-Fort Worth w wystawionej na działanie silnego słońca części jednego z terminali wymienił okna. Ten prosty zabieg poskutkował tym, że pasażerowie zaczęli zajmować fotele w miejscach, których zwykle unikali – zupełnie przestało im przeszkadzać siedzenie w nasłonecznionym obszarze. Jednocześnie znajdująca się w pobliżu restauracja zanotowała aż dwukrotny wzrost sprzedaży alkoholi. Dlaczego tak się stało? Otóż w miejscu z nowymi oknami zrobiło się o wiele przyjemniej. Pomiary pokazały, że temperatura siedzeń spadła aż o 10–15oC. Zmianę tę należy przypisać szybom skonstruowanym w technologii nazwanej dynamic glass. Szkło jest tu pokryte kilkoma warstwami elektrochromatycznego materiału, czyli zmieniającego zabarwienie pod wpływem prądu. W tym przypadku elektryczność powoduje przepływ jonów między warstwami, co z kolei modyfikuje stopień przepuszczalności światła. Zmianami steruje komputer, który uwzględnia m.in. panującą na zewnątrz temperaturę, zachmurzenie i porę dnia. Działanie systemu można przy tym kontrolować za pomocą prostej aplikacji. Lotnisko planuje już wymianę kolejnych szyb, co wg producenta może przynieść nawet 20-procentowe ograniczenie wydatków na energię. View montuje tymczasem swoje okna na innych lotniskach, uczelniach, w szpitalach, hotelach i budynkach rządowych. Czy więc standardowe szyby będziemy niedługo oglądali przede wszystkim w muzeum? Jest na to spora szansa, bo naukowcy i inżynierowie pracują nad kolejnymi rodzajami aktywnych i inteligentnych okien.

Magnesy i kryształy

Specjaliści wykorzystują przy tym szerokie spektrum zjawisk i technologii. Na przykład opracowane na niemieckim Friedrich-Schiller-Universität w Jenie Large--Area Fluidic Windows (LaWin) zbudowane są ze szkła z kanalikami na specjalny typ cieczy. Badacze umieścili w nich płyn z magnetycznymi nanocząstkami żelaza. W naturalnym stanie tworzą one zawiesinę w wypełniającej kanaliki cieczy, lecz po włączeniu prądu są z niej usuwane. W ten sposób, dzięki zmianom pola magnetycznego, steruje się zaciemnieniem okna – od pełnej przezroczystości aż do jej braku. Przy odpowiednio dużej powierzchni okien można nawet wykorzystać je do zbierania niesionej przez promienie słoneczne energii cieplnej. – Największą zaletą tych okien zastosowanych w dużej skali jest możliwość zastąpienia klimatyzacji, systemów regulacji nasłonecznienia, a także np. wykorzystania ich do ogrzewania wody – mówi koordynator projektu prof. Lothar Wondraczek.

Z kolei na Technische Universiteit Eindhoven powstały szyby z warstwą zawierającą ciekłe kryształy, podobne do stosowanych w ekranach laptopów czy smartfonów. W odpowiednim ustawieniu kryształy te przepuszczają światło widzialne, ale zatrzymują promieniowanie podczerwone, chroniąc tym samym użytkowników pomieszczenia przed gorącem. Filtrowanie włącza się przy tym zależnie od potrzeby.

E-papier i prywatność

Blokujące światło warstwy mogą działać jednak bardziej wszechstronnie, co pokazuje wynalazek specjalistów University of Cincinnati. – Proste przełączanie elektronicznych okien nie wystarcza. Trzeba dostarczyć konsumentom coś, czego nie da się osiągnąć za pomocą mechanicznych metod – twierdzi prof. Jason Heikenfeld, współautor pomysłu. – Na rynku żarówek istnieje np. ogromny popyt na kontrolę temperatury i koloru, a w pewnym sensie okna to także źródła światła. Może jednak w ich przypadku bardziej istotne jest to, co można przez nie zobaczyć. Weźmy choćby żaluzje chroniące prywatność, ale zatrzymujące przy tym światło. A co by było, gdyby udałoby się zachować prywatność przy dowolnej jasności okna? – pyta badacz.

System opracowany przez jego zespół ma więc wiele zastosowań – pozwala na kontrolę ilości przepuszczanego światła, jego barwy i przezroczystości szyby. Okna można zaciemnić albo sprawić, by zasłaniały pomieszczenie bez znaczącej utraty jasności. Jeśli ktoś lubi chłodne, zbliżone do koloru niebieskiego odcienie światła, okna mu to zapewnią, lecz jeśli woli cieplejszą barwę, też nie będzie z tym kłopotu. Równie łatwa jest ochrona przed nadmiernym promieniowaniem cieplnym. Każdy z parametrów da się przy tym ustawiać niezależnie. Aby uzyskać takie możliwości, badacze zaadaptowali technologię wykorzystywaną już wcześniej w zupełnie innych urządzeniach.

Otóż wynalazek działa w podobny sposób jak stosowany w czytnikach elektronicznych książek e-papier.

Szyba jak elektrownia

Do działania okien z magnesami, ciekłymi kryształami czy zmodyfikowanym e-papierem potrzebny jest prąd (chociaż jego napięcie nie musi być duże). Tymczasem szyby wystawione są na działanie światła, które przecież można wykorzystać jako źródło energii. Trudność polega na tym, że od szyby oczekuje się, aby przepuszczała pełne potrzebne ludziom spektrum światła, kiedy akurat przezroczystość jest pożądana. Badacze z Princeton University rozwiązali ten problem, opracowując zbudowaną z organicznych półprzewodników przezroczystą warstwę, która produkuje elektryczność, pochłaniając niewidzialne dla człowieka promienie ultrafioletowe. Działanie prądotwórczej powłoki nie pogarsza więc parametrów szyb. Badacze połączyli już swoje ogniwo z warstwą ściemniającą się pod wpływem prądu, tworząc w ten sposób kompletną samozasilającą się aktywną szybę. – Wykorzystanie bliskiego nadfioletu do zasilania okien oznacza, że zastosowane ogniwa słoneczne mogą być przezroczyste i zajmować tę samą powierzchnię co szyba, bez konkurowania o promienie słoneczne czy nakładania ograniczeń estetycznych przy projektowaniu – mówi kierująca pracami prof. Yueh-Lin Loo.

Wbudowany spryt

Okazuje się jednak, że aktywne okna mogą działać także bez zasilania. Pokazał to np. zespół z singapurskiej agencji ds. nauki, technologii i badań A*STAR. Specjaliści opracowali szyby, które może nie sprawdzą się w chłodnym ani nawet umiarkowanym klimacie, za to doskonale nadadzą się do mocno nasłonecznionych stref gorących. A to dlatego, że wbudowana w nie warstwa nanocząstek przepuszcza światło widzialne, ale jednocześnie zatrzymuje promieniowanie cieplne. – Nasza chroniąca przed podczerwienią powłoka z 10-nanometrowymi, wzbogaconymi antymonem nanocząstkami tlenku cyny zatrzymuje ponad 90% bliskiej podczerwieni, a przepuszcza ponad 80% światła widzialnego – zapewnia współtwórca szyby dr Huang Hui. – W tropikalnym Singapurze, gdzie klimatyzacja stanowi największą składową wydatków energetycznych budynku, nawet niewielka redukcja pochłanianego ciepła może oznaczać duże oszczędności – wyjaśnia naukowiec.

Takie statyczne elementy mogą też działać całkiem sprytnie, tak jak wynalazek zespołu z École Polytechnique Fédérale w Lozannie. Szwajcarscy badacze stworzyli powłokę z systemem mikroskopijnych luster, a dokładniej mówiąc – złożonych koncentratorów parabolicznych. Dzięki swojej budowie i ustawieniu zimą, kiedy warunki oświetleniowe są słabe, lustra pomagają rozprowadzić światło równomiernie po całym pomieszczeniu. W efekcie nawet najdalsze zakątki pokoju czy biura zostają dobrze doświetlone. Latem jednak, kiedy słońce znajduje się wysoko na niebie i światło pada pod innym kątem, te same lustra odbijają nadmiar promieniowania, chroniąc pomieszczenie przed przegrzaniem. Okna jednocześnie minimalizują przykre odblaski, a przy wszystkich swoich zaletach nie zniekształcają widzianego przez nie obrazu.

Pełna opcja

Naukowcy z University College London pokazują tymczasem, że okna na miarę XXI w. powinny oferować użytkownikowi kilka udogodnień różnej natury. Opracowana przez nich szyba przede wszystkim potrafi sama się czyścić. „Sama” to może trochę za dużo powiedziane, bo potrzebuje do tego deszczu. Odpowiadają za to umieszczone na jej powierzchni mikroskopijne stożkowate struktury. W kontakcie z nimi pochodząca z deszczu woda tworzy sferyczne krople, które z łatwością się po tych strukturach ześlizgują, zbierając przy tym kurz i inne zanieczyszczenia. – Ocenia się, że z powodu oczywistych trudności koszt czyszczenia okien drapaczy chmur w ciągu pierwszych 5 lat jest taki sam jak początkowy koszt ich instalacji. Nasze szkło może diametralnie obniżyć te wydatki, niezależnie od zmniejszenia rachunków za energię i poprawy produktywności spowodowanej zmniejszeniem odblasków – przekonuje kierujący projektem dr Ioannis Papakonstantinou.

Te same stożkowate elementy powodują bowiem zmniejszenie nieprzyjemnych refleksów, które utrudniają np. pracę przy komputerze czy oglądanie telewizji. Twórcy wynalazku tłumaczą, że działa on podobnie jak mikrostruktury w oczach ćmy, które eliminują odblaski i dzięki temu chronią owady przed drapieżnikami. Szyby dodatkowo pokrywa cienka warstwa dwutlenku wanadu. Materiał ten, podobnie jak mikrolustra opracowane w Lozannie, działa w inteligentny sposób, lecz nie reaguje na kąt padania światła, tylko na temperaturę. Otóż kiedy jest chłodno, zatrzymuje promieniowanie cieplne w pomieszczeniu, natomiast w czasie upałów blokuje jego przenikanie z zewnątrz.

Komputer w oknach

Szyby nowej generacji mogą też sprawić, że powiedzenie „okno na świat” może nabrać nowego znaczenia. Pozwolą one nie tylko na kontakt z okolicą, ale staną się portalem do świata cyfrowego. Niektóre firmy, w tym znany polski producent, zaprezentowały już prototypy szyb z wbudowanym wyświetlaczem. Da się na nich obejrzeć film, przejrzeć strony internetowe, wyświetlić biznesową prezentację czy reklamę z informacjami dla klientów. Ekran bez kłopotu zamienia się w wirtualne, lecz działające jak prawdziwe żaluzje czy rolety. I kto by pomyślał, że tak dużo może się zmieścić w cienkiej przezroczystej szybie.

Marek Matacz
niezależny dziennikarz popularnonaukowy, z wykształcenia biotechnolog