Мы преуспели в создании искусственных теплоизолирующих материалов высокой эффективности. И всё ж в ряде случаев кажется, что природа пока умеет больше: белые медведи, пингвины и прочие песцы имеют слой теплоизоляции, с одной стороны, очень тонкий, а с другой — судя по их энергобалансу — какой-то даже чересчур эффективный.
Нужны ли нам 60 см утеплителя — и нельзя ли обойтись медвежьими 5 см? (Здесь и ниже иллюстрации Optics Express / Achim Hering.)
Учёные из Бельгии и Марокко во главе с Присциллой Симонис (Priscilla Simonis), представляющей Намюрский университет (Бельгия), попробовали понять, что именно делает полярные меха а-ля белый медведь такими эффективными. Исследовательница отмечает, что постоянная температура медведей не падает даже при долгих зимах с -40 °C (от себя добавим, что и при куда бóльших холодах), а толщина меха у них всего-то 5 см! У такого же по толщине утеплительного слоя в доме нет никаких шансов, согласно СНиП (в развитых странах мира), и можно не сомневаться, что требовательность арктических нормативов в этом смысле вряд ли ниже.
«Почему нам нужно как минимум 60 см минваты или стекловаты, — вопрошает г-жа Симонис, — чтобы поддерживать 20 °С при температурах около -5 °С? И почему мех полярного медведя лучше, чем то, что мы разрабатываем для утепления домов?»
Заметим, впрочем, что 60 см по периметру — в большинстве случаев невообразимая цифра, которая на практике для тех же стен редко выполняется. Так что в основной части стран с северным климатом толщина утепления много меньше, да и зима кое-где суровее бельгийских -5 °С, поэтому вопрос действительно актуальный.
Тепло, как известно, может утекать двумя путями — радиацией, когда остывание идёт посредством излучения электромагнитных волн (ИК-диапазон), и с передачей колебаний атомов и молекул нагретого тела близлежащим более холодным.
Стандартный способ воспроизведения природных утепляющих материалов очевиден: воздушные полости в мехах означают, что молекулы и атомы твёрдого тела будут отдавать тепло намного более разрежённому воздуху, отчего потери тепла сильно затруднятся. На этой основе созданы утеплители из пенопласта и минваты, составляющие подавляющее большинство такого рода материалов, и та же основа лежит внутри аэрогелей — ещё более эффективных, хотя пока и неподъёмно дорогих материалов, в основном состоящих из воздуха.
Так вот, г-жа Симмонис с коллегами посчитали, что у радиации в этом процессе роль может быть значительно выше, чем считалось.
Смоделировав теплоперенос радиацией в условиях, препятствующих распространению ИК-излучения, учёные попытались воспроизвести реальную ситуацию с мехом животных, в котором отдельные волокна не дают ИК-излучению от тела свободно удаляться в окружающее пространство. Когда в симуляции использовались защитные слои с поглощением, характерным для чёрного тела, эффективность меха была сравнительно невысокой. Сделав же защитные слои светлыми, удалось добиться резкого падения переноса тепла. В целом модель приводит к очевидному, казалось бы, выводу: повторяющееся рассеивание инфракрасного излучения между многочисленными слоями, препятствующими распространению радиации, подавляет процесс остывания нагретого тела и нагревания близко расположенного холодного.
При этом, утверждают учёные, есть вероятность, что такой механизм в теплоизолирующих свойствах меха и перьев может быть важнее, чем блокировка других путей теплопереноса.
Птичьи перья — ещё один пример теплоизоляциик, которая и эффективна, и по человечесим меркам очень тонка.
Одновременно «правильная» структура меха и перьев не только рассеивает дальнее ИК-излучение, но и делает то же самое с видимым светом, что заставляет полярных животных выглядеть белыми в видимом диапазоне, добавляя к прекрасной теплоизоляции ещё и эффективный камуфляж.
Как полагает исследовательница, этот подход следует использовать для разработки новых групп теплоизолирующих материалов, включая в их состав необычные многослойные компоненты с высокой отражающей способностью — такие как металлы.
Лучшей формой для этого, кроме простых многослойных покрытий, может оказаться «меховая» структура, где вместо разнесенных слоёв используются различные нитевидные образования. В итоге, полагают учёные, можно будет добиться эффективной теплоизоляции с помощью ультратонких искусственных материалов.
