กระจกชนิดพิเศษที่กักเก็บความร้อนในฤดูหนาวและปล่อยในฤดูร้อนจะทำให้อาคารมีประสิทธิภาพมากขึ้น
แสงธรรมชาติที่ส่องผ่านหน้าต่างที่มีแสงแดดส่องถึงดีมาก จนกว่าคุณจะหรี่ตาและเช็ดเหงื่อออกจากคิ้ว คุณสามารถปิดม่านบังตาหรือเปิดเครื่องปรับอากาศได้ แต่คุณเหลือห้องมืดหรือค่าไฟฟ้าที่สูงขึ้น
วิธีแก้ปัญหาสำหรับปริศนานี้เกิดขึ้นเมื่อ 40 ปีที่แล้ว: หน้าต่างอัจฉริยะที่ปรับแต่งได้ตามความต้องการของคุณ ด้วยการใช้วัสดุพิเศษที่ปิดกั้นความยาวคลื่นของแสง หน้าต่างเหล่านี้จึงปรับให้เข้ากับสภาพอากาศหรือตามความสบายส่วนตัวของคุณ ร้อนเกินไป? หน้าต่างสามารถย้อมสีเพื่อป้องกันแสงและทำให้ห้องเย็นลง หนาวเกินไป? สีจางหายไป ปล่อยให้แสงธรรมชาติอบอุ่นทำให้พื้นที่ของคุณร้อนขึ้น ต้องการความเป็นส่วนตัวบ้างไหม? กระจกบางตัวอาจขุ่นเมื่อกดสวิตช์
ในช่วงสองสามทศวรรษที่ผ่านมา ความก้าวหน้าในการวิจัยหน้าต่างอัจฉริยะได้ย้ายเทคโนโลยีไปไกลกว่าห้องปฏิบัติการ: ตลาดกระจกอัจฉริยะ คาดว่าจะสูงถึง 7.5 พันล้านดอลลาร์ ภายในปี 2571 ประเภทของหน้าต่างอัจฉริยะมีอยู่แล้วในเรือ รถยนต์ และเครื่องบิน และ เข้าไปในอาคารต่างๆ เช่น สำนักงานและอาคารผู้โดยสารในสนามบิน และหากพวกเขาเอาชนะความท้าทายหลักสองสามข้อ พวกเขาสามารถมีบทบาทสำคัญในการทำให้บ้านใช้พลังงานอย่างมีประสิทธิภาพมากขึ้นในวันหนึ่ง ผู้เสนอกล่าว
อาคารคิดเป็น สัดส่วน 39 เปอร์เซ็นต์ของการใช้พลังงานทั้งหมด ในสหรัฐอเมริกา และ 35 เปอร์เซ็นต์เกี่ยวข้องกับ การทำความร้อน การระบายอากาศ และ การปรับอากาศ เนื่องจากหน้าต่างอัจฉริยะสามารถเลือกป้องกันความร้อนหรือปล่อยให้ความร้อนเข้ามาได้ จึงสามารถลดความต้องการพลังงานเหล่านี้ได้: ประมาณ 35 เปอร์เซ็นต์ของพลังงานในอาคารทั่วไปจะสูญเสียผ่านหน้าต่าง
แต่สำหรับหน้าต่างอัจฉริยะที่จะเข้าสู่กระแสหลัก — และตัดการใช้พลังงานของทุกคน — ราคาต้องถูกลง อุปกรณ์ปัจจุบันมีราคาสูงถึง 10 เท่าของราคากระจกประหยัดพลังงานมาตรฐาน การทำให้เทคโนโลยีราคาถูกลงและอาจถึงขั้นฉลาดกว่านั้นเป็นประเด็นที่น่าสนใจสำหรับนักวิจัย
ในอนาคต Claes-Göran Granqvist นักฟิสิกส์ด้านวัสดุกล่าวว่า “ไม่มีเหตุผลจริงๆ ที่จะมีหน้าต่างอื่นนอกจากหน้าต่างอัจฉริยะเหล่านี้”
เหมือนแบตเตอรี่
สมาร์ทวินโดว์มีต้นกำเนิดมายาวนานก่อนที่โทรศัพท์และโทรทัศน์จะถือว่า “ฉลาด” ในช่วงต้นทศวรรษ 1980 นักวิทยาศาสตร์จาก Chalmers University of Technology ในสวีเดนและ Lawrence Berkeley National Laboratory ในแคลิฟอร์เนียได้ระดมสมองวิธีการใหม่ๆ ในการผลิตวัสดุก่อสร้างที่ประหยัดพลังงาน นักวิจัยได้คิดค้นหน้าต่างตอบสนองที่จะเปลี่ยนสีของมันแบบไดนามิก Granqvist ซึ่งเป็นส่วนหนึ่งของการวิจัยในช่วงแรกนั้นใช้วลี “หน้าต่างอัจฉริยะ” ในใบสมัครทุน ชื่อติดอยู่ — และหน้าต่างอัจฉริยะเครื่องแรกก็บรรลุผลในปี 1984
ต้นแบบเดิมมีความยาวเพียงเซนติเมตรและกระจกเด่นที่เปลี่ยนจากโปร่งใสเป็นสีเข้ม ทำได้โดยการประกบกระจก วัสดุหลายชั้นและตัวนำโปร่งใสที่ให้กระแสไฟฟ้าขนาดเล็ก แรงดันไฟฟ้าเปลี่ยนแปลงวิธีที่วัสดุมีปฏิสัมพันธ์กับแสง โดยเปลี่ยนความยาวคลื่นที่สะท้อนหรือดูดกลืนแสง
ในขณะที่เทคโนโลยีก้าวหน้า นักวิจัยได้สำรวจสารอื่นๆ ที่ควบคุมแสงเพื่อตอบสนองต่อการแจ้งเตือนอื่นๆ เช่น ความร้อน แสงอัลตราไวโอเลต และสนามแม่เหล็ก วันนี้มีการใช้ “วัสดุอัจฉริยะ” พิเศษจำนวนมากและนักวิจัยยังคงตรวจสอบวัสดุใหม่ ๆ
ต้นแบบในยุคแรกๆ เหล่านั้นใช้วัสดุ “อิเล็กโทรโครมิก” ซึ่งหมายความว่าพวกมันจะเปลี่ยนกลับด้านเพื่อตอบสนองต่อกระแสไฟฟ้าหรือแรงดันไฟ โดยทั่วไปแล้ว หน้าต่างอิเล็กโทรโครมิกจะมีทั้งหมด 5 ชั้น รวมถึงสองชั้นที่ทำหน้าที่เป็นอิเล็กโทรด (เช่น ขั้วบวกและขั้วลบของแบตเตอรี่) และชั้นอิเล็กโทรไลต์ด้านในที่มีไอออน เมื่อใช้แรงดันไฟฟ้า ไอออนที่มีประจุบวกจะถูกขับเข้าไปในชั้นหนึ่งในขณะที่อิเล็กตรอนเคลื่อนที่ไปยังอีกชั้นหนึ่ง ปฏิกิริยาจะสร้างสีอ่อนที่ปิดกั้นแสงที่มองเห็นได้บางส่วน รวมทั้งแสงอินฟราเรดที่บรรจุด้วยความร้อน สีจะยังคงอยู่จนกว่าแรงดันไฟฟ้ารอบใหม่จะกระตุ้นปฏิกิริยาย้อนกลับที่ดึงอิเล็กตรอนและไอออนออก ซึ่งจะทำให้หน้าต่างโปร่งใสอีกครั้ง
“มันเหมือนกับในแบตเตอรี่ไฟฟ้า” Granqvist จาก Ångström Laboratory ของ Uppsala University ในสวีเดนกล่าว “คุณต้องใช้พลังงานบ้างเพื่อชาร์จ แต่จากนั้นคุณสามารถเก็บไว้ได้นาน”
กระจกไฟฟ้ามีการใช้กันอย่างแพร่หลายในหน้าต่างอัจฉริยะ และสามารถพบได้ในหน้าจอเพื่อความเป็นส่วนตัว แผงแสดงผล หน้าต่างสำหรับเรือ หน้าต่างเครื่องบิน และซันรูฟในรถยนต์บางรุ่น แก้วอิเล็กโทรโครมิกบางประเภทเกือบจะทึบแสงเมื่อไม่ได้ใช้พลังงาน ในสถานะนี้ วัสดุที่ตอบสนองของแก้ว ไม่ว่าจะเป็นหยดคริสตัลหรืออนุภาคแขวนลอยอื่นๆ จะถูกจัดเรียงอย่างไม่เป็นระเบียบ โดยกระจายแสงแทนที่จะปล่อยให้ผ่าน ทำให้แก้วขุ่น แต่กระแทกด้วยกระแสไฟฟ้าและหยดน้ำหรือคริสตัลเรียงกันเป็นแถว ทำให้กระจกโปร่งใส
หน้าต่างเหล่านี้และกระจกไฟฟ้าอื่น ๆ ช่วยให้ผู้อยู่อาศัยในอาคารสามารถควบคุมระดับสีได้ด้วยตนเอง แต่ช่างไฟฟ้าจำเป็นต้องสร้างอาร์เรย์อิเล็กโทรดและสายไฟที่เหมาะสม การออกแบบและการติดตั้งที่ซับซ้อน สิ่งนี้ผลักดันราคาให้สูงกว่าการออกแบบหน้าต่างอัจฉริยะอื่นๆ อย่างมาก ในทางกลับกัน วัสดุมีราคาค่อนข้างถูก และวิธีการผลิตที่ไม่แพงและสามารถปรับขนาดได้นั้นอยู่บนขอบฟ้า Granqvist กล่าว
และหน้าต่างอิเล็กโทรโครมิกยังคงมีพื้นที่ให้ปรับปรุง นักวิจัยยังคงตรวจสอบวัสดุที่ตอบสนองใหม่ๆ โดยมีเป้าหมายเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพและอายุการใช้งานของหน้าต่าง ตัวอย่างเช่น ต้นแบบที่ประกอบด้วยดีบุกออกไซด์เจือด้วยโลหะอื่น ๆ อีกสองชนิดที่ปิดกั้นทั้งแสงอินฟราเรดและแสงที่มองเห็นได้มีอายุการใช้งานยาวนานขึ้นสำหรับรอบการเปิด/ปิดมากกว่าหน้าต่างอิเล็กโตรโครมิกที่มีอยู่จำนวนมาก นักวิทยาศาสตร์รายงานเมื่อเร็ว ๆ นี้ในACS Omega
ตอบสนองต่อความร้อน
สมาร์ทวินโดว์อีกประเภทหนึ่งที่เปลี่ยนแปลงตามความร้อน เรียกว่าเทอร์โมโครมิก ไม่มีสายไฟหรือแหล่งจ่ายไฟที่ซับซ้อนของกระจกอิเล็กโทรโครมิก Harlan Byker นักวิทยาศาสตร์ด้านวัสดุ ผู้ก่อตั้งบริษัท Pleotint ผู้ผลิตกระจกหน้าต่างไดนามิกกล่าว
VO2 มีความสามารถในการเปลี่ยนรูปร่างที่อุณหภูมิสูงขึ้น (ประมาณ 68 องศาเซลเซียสหรือ 154 องศาฟาเรนไฮต์) ซึ่งเพิ่มความสามารถในการสะท้อนแสงอินฟราเรด ซึ่งช่วยให้แสงที่มองเห็นได้ไหลเข้ามาอย่างต่อเนื่อง ทำให้ห้องสว่างขึ้น พร้อมลดปริมาณความร้อนที่เข้ามา ทำให้ห้องเย็นลง นักวิจัยสามารถผสมสารพิเศษเข้ากับ VO2 เพื่อให้สะท้อนแสงที่อุณหภูมิต่ำ แต่สิ่งนี้จะเป็นอุปสรรคต่อการสะท้อนแสง ทำให้ผลิตภัณฑ์เปลี่ยนจากห้องปฏิบัติการไปสู่ตลาดการค้าได้ยาก Byker กล่าว
หน้าต่างเทอร์โมโครมิกรุ่นต่อไปอาจใช้วัสดุที่แตกต่างกันซึ่งดูดซับแสงแทนการสะท้อนแสง ทำให้เกิดสีอ่อนอย่างต่อเนื่องเมื่ออุณหภูมิสูงขึ้น คล้ายกับหน้าต่างอิเล็กโตรโครมิก สารที่พัฒนาขึ้นเมื่อเร็วๆ นี้ใช้ปฏิกิริยาระหว่างไอออนของโลหะกับโมเลกุลอื่นๆ เพื่อดูดซับแสงอินฟราเรดและแสงที่มองเห็นได้น้อยลงเมื่ออากาศภายนอกเย็น ซึ่งจะทำให้ความร้อนเข้ามามากขึ้น เมื่อมันร้อนขึ้น วัสดุจะดูดซับแสงมากขึ้น ทำให้ความร้อนที่เกี่ยวข้องหลุดออกไป
นักวิทยาศาสตร์ด้านวัสดุ Long Yiจาก Nanyang Technological University ในสิงคโปร์กล่าวว่าวัสดุแต่ละชนิดที่ตอบสนองต่ออุณหภูมิจะเปลี่ยนแปลงไปในอุณหภูมิที่ต่างกันและอาจมีสีมากขึ้นหรือน้อยลง และยังมีความท้าทาย อีกด้วย บางชนิด เช่น พอลิเมอร์ที่เรียกว่าไฮโดรเจล สามารถเบี่ยงเบนความร้อนได้ดี แต่มีโทนสีที่ทึบเกินกว่าจะมองทะลุได้ อื่นๆ เช่น VO2 มีความโปร่งใสเพียงพอที่จะอนุรักษ์มุมมอง แต่ไม่มีประสิทธิภาพด้านพลังงานเนื่องจากไม่สามารถสะท้อนความร้อนได้เช่นกัน
“ไม่มีวัสดุที่สมบูรณ์แบบ” Yi กล่าว “เราสามารถค้นหาวัสดุที่สมบูรณ์แบบสำหรับการใช้งานบางอย่างเท่านั้น”
แอปพลิเคชั่นหนึ่งคือการออกแบบหน้าต่างที่ไม่เพียงแต่กระจายแสง แต่ยังดักจับความร้อนอีกด้วย ตัวอย่างเช่น ห้องทดลองของ Yi กำลังพัฒนาหน้าต่างเทอร์โมโครมิกที่สามารถเก็บความร้อนที่สะสมไว้ในส่วนที่มีแดดจัดของวัน และปล่อยออกมาเมื่อความต้องการและค่าใช้จ่ายลดลงในช่วงที่อากาศเย็นลงของวัน
พวกเขาสามารถทำได้โดยการวางไฮโดรลิควิด ซึ่งเป็นส่วนผสมของน้ำและไฮโดรเจล ระหว่างกระจกสองบาน สายโซ่ของโพลีเมอร์ภายในไฮโดรเจลจะขยายตัวเมื่ออุณหภูมิลดลงต่ำกว่า 30 องศาเซลเซียส (86 องศาฟาเรนไฮต์) ทำให้กระจกโปร่งแสง เหนือธรณีประตูนี้ โซ่จะยู่ยี่เหมือนกระดาษและพันกันเพื่อสร้างสีอ่อน กระจายแสงใกล้อินฟราเรดและแสงที่มองเห็นได้ ต้องขอบคุณน้ำในส่วนผสมซึ่งสามารถเก็บความร้อนได้ในปริมาณมาก ไฮโดรลิควิดจะดูดซับความอบอุ่นและค่อยๆ ปลดปล่อยออกมาเมื่อเวลาผ่านไป ซึ่งสามารถลดความต้องการพลังงานความร้อน การระบายอากาศ และการปรับอากาศได้ 35 เปอร์เซ็นต์ เมื่อเทียบกับกระจกสองบาน ตามข้อมูลการจำลองของ Yi
การศึกษาล่าสุดของเธอแนะนำหน้าต่างสองทาง ตามที่อธิบายไว้ในปี 2564 ในScienceทีมงานของ Yi ได้สร้างหน้าต่างซึ่งมีการเคลือบที่ประหยัดพลังงานและ VO2 ซึ่งบล็อกแสงอินฟราเรดที่บรรจุความร้อนไม่ให้เข้าไปในอาคารในขณะที่ปล่อยให้ความร้อนในร่มแผ่กระจายออกไป ทำให้ห้องเย็นในฤดูร้อน กลไกนี้จะพลิกกลับในฤดูหนาวเมื่ออุณหภูมิเย็นลง โดยวัสดุจะปล่อยให้แสงเข้ามาและป้องกันไม่ให้ความร้อนภายในอาคารแผ่ซ่านออกมา เมื่อเทียบกับการเคลือบแก้วที่ประหยัดพลังงานในเชิงพาณิชย์ในปัจจุบัน เทคโนโลยีใหม่นี้สามารถประหยัดพลังงานได้มากถึง 15 เปอร์เซ็นต์ Yi กล่าว
