Техника - молодёжи 1995-06, страница 43

А Р X И Т Е

К Т У

Р А

— к концу стал™

ОКОННЫЕ СТЕКЛА

Устройство и работа электрохромно-го оконного стекла. Внизу — «режим помутнения», справа— «прозрачный ражим». Стрелками показано направление ионного тока. Над каждой схемой — *

соответствующий режиму вид из окна.

\

%

О о..

эб

, S Оо <0

о о

СТАЛИ УМНЕЕ

В 1990 . американская печат опубликовала статистические данные о потреблении энергии в США. Как и следовало ожидать, львиная ее доля «съедается» i ромышленностью, сельским хозяйством, транспортом, немало идет на бытовые нужды. В том числе целых 5% — на всяческие уловки по созданию и поддержанию микроклимата в помещениях. Полагают, что эта «статья расхода» обязана своим появлением современной архитектурной моде: использование стекла в строительстве за последние деся гилетия возросло чрезвычайно. Речь не только о небоскребах: едва ли не каждый будущии домовладелец, инструктируя своего личного архитектора, просит непременно включить в проект комнату (а лучше зал, а еще лучше два) с окном во всю стену.

Мало того, что строительство подобной усадь-бь обходится недешево — возникают по крайней мере две проблемы, которые и пригрезиться не могли нашим предкам, имевшим обькновение затягивать крошечные оконные проемы бычьим мочевым пузырем. С одной стороны, летом огромное окно — особенно на южной стороне дома — пропускает вместе со светом много тепла, и в холле становится жарковато. А зимой, наоборот, слишком прохладно. С другой стороны, не всегда приятно, когда с улицы видно все, что происходит в комнате...

Более 30 лет конструкторы и рационализаторы разных стран пытаются избавить оконные стекла от неудобств. Еще в 60-е гг появились так называемые пассивные системы — двойные рамы и отражатели. Первые плохи уже тем, что каждую весну приходится снимать дополнительную раму, а ближе к концу «бабьего лета» водружать ее обратно. Вторые же весьма эффективно отражают инфракрасные (тепловые) лучи и пропускают лишь видимый свет — а посему жи елям Исландии, части Канады и арктического побережья России про ивопоказаны даже в середине июля.

Специально для регионов с холодным климатом были разработаны оконные стекла функционирующие как ермическое зеркало: они жадно ловили, простите за вычурность слога, скудное тепло северного солнца и обратно его не выпус кали. Зимой это приходилось очень кстати, зато в отдельные дни лета помещение превращалось в парилку.

Словом, подобные технические решения годны лишь для стран со стабильным климатом, ибо игнорируют смену времен года.

В середине 70-х появились стекла динамических систем, светопроницаемость которых можно менять соответственно сезону. Правда, проблему удержания тепла зимой они не решали, но позволяли варьировать освещенность. Прежде всего стоит упомянуть стекла с прослойкой жидких кристаллов: когда через нее пропускают электрический ток, ориентация молекул упорядочивается, благодаря чему окно станови ся прозрачным. Если же ток выключить, в стройных рядах кристаллов начинается разброд, вызывающий почернение. Таким образом, в комнате можно создать иллюзию либо интимного освещения, либо открытого пространс гва

Но жидкие кристаллы действуют по принципу «все или ничего» о том, чтобы, например, лишь слегка затенить помещение, речи нет.

Другой вариан динамической системы — фо-тохромные стекла, меняющие цвет под действием светового излучения. Они обычно невелики по площади и используются главным образом в сис-емах оперативной памяти компьютеров, голографии, производстве линз для очков. Фотохром-

ные окна — точнее, витражи — могли бы быть очень эффектны: представляете — на улице темнеет, и освещение в вашей гостиной медленно и волшебно превращается скажем, из холоднова то голубого в мягко-оранжевое... Но мало кому подобное удовольствие по карману.

Вернемся к реальности. Как заставить оконные стекла плавно менять прозрачность, чтобы можно было ее зафиксирова ь на любом промежуточном уровне — как пожелает клиент? Видимо, надо замени ь жидкие кристаллы чем-то таким, что темнеет или проясняется постепенно, а если отключить ток, сколь у одно долго сохраняет до-сти нутую в данный момент с епень затемнения. Словом, основная задача — найти подходящий материал прослойки.

К поискам приступили в конце 80-х. Как-то само собой получилось, что экспериментальную работу возглавили французь Проблемой занялись целых пять лабораторий: три в Гренобле, одна в Безансоне и одна в окрестностях Парижа — при фирме Saint-Gobain, крупнейшем в стране производителе стекла. К исследованиям подключились университетские учень е, промышленники, электрохимики, специалисты по химии полимеров...

В итоге бесчисленных экс ериментов, расче тов и испытаний было создано электрохромное стекло — своего рода сандвич из семи тончайших слоев (см. схему). Суммарная толщина его не более 0,2 мм, так что его можно без особых сложностей прикрепить к внутренней поверхности обычного оконного стекла или встроить внутрь него в процессе производства

Устройство сандвича таково. Внутренний слой (3) — электролит. По обе стороны от него — слои-электроды: собственно электрохромный (4), прозрачность коего меняется в зависимости от направления и длительности воздействия электрического тока, и так называемый контр-электрод (2). Затем токопроводящие прокладки (1,5) и, наконец, два наружных пластиковых слоя, играющие роль каркаса (цифрами не обозначены).

Механизм работы такого стекла основан на окислительно-восстановительной реакции, протекающей внутри него. На электроды через токо проводящие слои подается разность потенциалов орядка 1,5 В. Вектор напряженности электрического поля ориентирован либо от контр-эле-ктрода к электрохромному, либо наоборот. В первом случае катионы (чьим источником служит ее тественно, электролит) устремляются к электрохромному слою, и он мутнеет: стекло постепенно превращав ся в солнцезащитное. Если же изме нить направление тока и вектора напряженности поля, катионы двинутся вспять — к контр-элект-роду, и стекло станет прозрачным.

Вроде бы принцип очень прост. Единственная загвоздка, как уже сказано, — оптимальная начинка для сандвича. Прежде всего она должна быть прозрачной — иными словами, токопроводящие слои никак не могут состоять из металлов. Во-вторых, нужны высокая скорость затемнения и обесцвечивания, а также возможность быстрого переключения с одного режима на другой. Затем требуется стабильность выбранной степени помутнения. Наконец, желательно, чтобы эффективность не снижалась при увеличении площади окна.

Легче всего оказалось разобраться с проводящими прокладками. Исследователи перепробовали множество полупроводников и остановили свой выбор на сплаве оксида индия с оловом: достигнутый максимум его прозрачности при отсутствии электрического тока — 80%. Контр-электрод тоже не вызвал особых сложностей: диокси ды титана, никеля и иридия по оптическим и некоторым другим свойствам довольно близки, так что нашлось, из чего выбрать. В качестве электролитов традиционно используются жидкие полимеры, но для данного случая они непри одны велика вероятность их утечки. Гораздо надежнее твердые, точнее, желеобразные полимеры, осо бенно перлиор — электрохромные стекла на его основе по. ностью за емняются или полностью обесцвечиваются за 6 с, что в 10 раз меньше латентного гак сказать, периода остальных перепробованных материалов. (Секрет прост: у пер лиора наилучший коэффициент ионной диффузии.)

Труднее было подобрать оптимальный материал электрохром ого электрода. Напомним, это единственный слой, обладающий переменной светопроницаемостью. Нужно вещество, абсолютно прозрачное в отсутствии тока и мутнеющее по мере накопления катионов. И ученые нашли такое вещество: триоксид вольфрама.

И все же авторы проекта не испытывали полного удовлетворения результатами. По их мнению, ни один из найденных химических компонентов не обеспечивает достаточно быстрых и стабильных реакций. Кроме того, процедура установки тонких и хрупких многослойных стекол довольно сложна, да и производство влетит в копеечку. Главное же — проблема их долговечности. Во Франции, например, законодательство предусматривает для промышленных оконных стекол гарантийный срок не меньше 10 лет, а электрохромные желтеют за два года... Впрочем, дело даже не в законах: зачем, скажите на милость, покупать за бешеные деньги стекло, которое через пару лет придется выбросить?

Неясно также возникнут ли при эксплуатации новинки нежелательные побочные реакции. Но так или иначе, очевидно — перспектива у нее есть. Специалисты уверены: пусть сейчас «электрохромные» окна малореальны, но принципиально они одинаково хороши для жилых домов, учреждений, курортов и даже автомобилей. А в недалеком будущем вполне возможно создание удобных и экономичных оконных стекол, автоматически регулирующих уровень освещенности в комнате: жильцам даже не придется самим включать и выключать ток. Конкретные конструкторские идеи уже есть. ■

По материалам журнала

Science & Vie (Франция)

ТЕХНИКА-МОЛОДЕЖИ 6 ' 9 5

25