Wpływ badań NASA na grubość i kolorystykę osłon okiennych
Patrząc na nowoczesne osłony okienne łatwo odnieść wrażenie, że o ich skuteczności decyduje przede wszystkim kolor tkaniny lub grubość materiału. Tymczasem coraz większe znaczenie mają zjawiska, których nie sposób dostrzec gołym okiem. O tym czy dana powierzchnia będzie się intensywnie nagrzewała, czy odbije znaczną część promieniowania słonecznego, decydują właściwości optyczne materiału oraz jego budowa w skali mikroskopowej. To właśnie dlatego współczesne materiały coraz częściej wykorzystują niezwykle cienkie warstwy metali, których grubość liczona jest nie w milimetrach, lecz w mikrometrach, a niekiedy nawet nanometrach.
Rozwój takich technologii nie był dziełem jednej branży. Ogromny wkład w ich poznanie miały badania prowadzone dla przemysłu lotniczego, elektronicznego i kosmicznego. Współczesne rolety oczywiście nie powstały w laboratoriach NASA, ale to właśnie wymagania stawiane przed satelitami, sondami czy teleskopami znacząco przyspieszyły rozwój wiedzy dotyczącej zachowania cienkich powłok metalicznych w kontakcie z promieniowaniem słonecznym. Nic zatem dziwnego, że producenci żaluzji i rolet, zainspirowali się danymi dostarczanymi przez agencje zajmujące się technologią służącą misjom kosmicznym.
Rola kolorystyki i materiałów
Większość osób intuicyjnie zakłada, że jasne powierzchnie nagrzewają się słabiej od ciemnych. Jest w tym wiele prawdy, jednak z punktu widzenia fizyki sytuacja jest bardziej złożona.
Promieniowanie słoneczne obejmuje nie tylko światło widzialne, ale również promieniowanie podczerwone i ultrafioletowe. Materiał może odbijać jedną część tego promieniowania, a pochłaniać inną. Dodatkowo znaczenie ma sposób, w jaki później oddaje zgromadzone ciepło do otoczenia. Możemy jednak sprawę rozpatrywać także pod kątem koloru. Spójrzmy na złoto – to materiał znakomicie odbijający promieniowanie podczerwone, ale całkowicie nieskuteczny w przypadku tzw. widma światła widzialnego o niskich długościach fal, mierzonych w nanometrach (kolory fioletowy, niebieski czy zielony – od około 380 do 570 nanometrów; złoto radzi sobie natomiast z kolorami pomarańczowymi i czerwonymi – od około 590 do 750 nanometrów). Jeśli chcemy zapewnić osłonie odbijanie całego spektrum, to najlepiej sprawdzają się powierzchnie srebrne lub białe (tarcze sond czy osłony teleskopów – np. Webba – są srebrne lub białe, w przypadku teleskopu Webba dzięki dodatkom krzemu, osłona jest lekko różowa, jednak przede wszystkim jest aluminizowana).
To właśnie tym zagadnieniom od dziesięcioleci poświęca się ogromną uwagę w materiałoznawstwie. Inżynierowie analizują między innymi współczynnik odbicia promieniowania słonecznego, zdolność pochłaniania energii oraz emisyjność cieplną powierzchni. Od właściwego połączenia tych parametrów zależy zachowanie materiału podczas intensywnego nasłonecznienia.
Kosmos postawił przed naukowcami wyjątkowo trudne zadanie
W przestrzeni kosmicznej nie występuje atmosfera, która na Ziemi częściowo chroni przed promieniowaniem słonecznym i umożliwia oddawanie ciepła przez ruch powietrza. Satelity, sondy oraz elementy Międzynarodowej Stacji Kosmicznej są narażone na bardzo intensywne promieniowanie, a jednocześnie muszą zachowywać odpowiednią temperaturę pracy.
Już podczas programów realizowanych w latach sześćdziesiątych rozpoczęto intensywne badania nad materiałami zdolnymi do kontrolowania wymiany ciepła przez promieniowanie. Powstały wielowarstwowe izolacje termiczne (Multi-Layer Insulation – MLI), wykorzystujące bardzo cienkie warstwy aluminium nanoszone na folie polimerowe. Rozwiązania tego typu do dziś stosowane są w satelitach, sondach międzyplanetarnych i wielu innych konstrukcjach kosmicznych.
Nie chodziło wyłącznie o samo aluminium. Równie ważne było zrozumienie, jak grubość warstwy metalu, sposób jej nanoszenia oraz rodzaj podłoża wpływają na właściwości optyczne całej konstrukcji.
Czym są cienkowarstwowe powłoki metaliczne?
Powłoka cienkowarstwowa to bardzo cienka warstwa materiału naniesiona na powierzchnię innego tworzywa. Najczęściej wykonuje się ją metodami próżniowymi, które pozwalają uzyskać niezwykle równomierną warstwę o dokładnie kontrolowanej grubości.
W zależności od zastosowania wykorzystuje się aluminium, srebro, tytan, chrom oraz wiele innych metali i ich związków. Celem nie zawsze jest uzyskanie efektu lustrzanego. Znacznie częściej chodzi o nadanie powierzchni określonych właściwości optycznych, takich jak zwiększenie odbicia wybranego zakresu promieniowania lub ograniczenie emisji ciepła.
Takie technologie znalazły zastosowanie między innymi w produkcji szyb niskoemisyjnych, paneli fotowoltaicznych, elementów elektronicznych, urządzeń optycznych oraz specjalistycznych materiałów technicznych.
Co z osłonami okiennymi?
Można zauważyć wyraźny wpływ rozwoju materiałoznawstwa, wynikający z badań agencji kosmicznych, na całą branżę. Współczesne tkaniny techniczne stosowane w niektórych osłonach wykorzystują różnego rodzaju powłoki refleksyjne lub metalizowane warstwy poprawiające odbijanie części promieniowania słonecznego. Podobne rozwiązania spotyka się także w ekranach refleksyjnych, foliach przeciwsłonecznych oraz materiałach stosowanych w architekturze.
Dzięki eksploracji kosmosu zrozumieliśmy, że skuteczność ochrony przed słońcem zależy od tego, co dzieje się z promieniowaniem po zetknięciu z powierzchnią materiału. Część energii zostaje odbita, część pochłonięta, a część może zostać przepuszczona dalej. Im większy udział promieniowania uda się odbić jeszcze przed jego zamianą w ciepło, tym wolniej nagrzewa się sama powierzchnia (brzmi znajomo, prawda?). Właśnie dlatego badania nad właściwościami optycznymi mają tak ogromne znaczenie dla projektowania materiałów wykorzystywanych zarówno w kosmosie, jak i w nowoczesnym budownictwie.
W praktyce oznacza to, że dwa materiały o podobnym wyglądzie mogą zachowywać się zupełnie inaczej podczas upalnego dnia. Różnice wynikają nie tylko z koloru, lecz również z rodzaju zastosowanych powłok, struktury powierzchni oraz właściwości fizycznych materiału.
Nauka, która wciąż się rozwija
Badania nad cienkowarstwowymi powłokami metalicznymi nadal należą do jednego z najbardziej dynamicznie rozwijających się obszarów materiałoznawstwa. Inżynierowie pracują nad powierzchniami, które będą jeszcze skuteczniej odbijały wybrane zakresy promieniowania, pozostając jednocześnie trwałe i odporne na działanie czynników atmosferycznych.
Choć przeciętny Użytkownik osłon okiennych prawdopodobnie nigdy nie zobaczy tych technologii pod mikroskopem, korzysta z efektów wieloletnich badań nad właściwościami materiałów. Historia cienkowarstwowych powłok pokazuje, że droga od laboratorium do codziennych zastosowań bywa długa i skomplikowana, ale to właśnie ona sprawia, że współczesne rozwiązania coraz lepiej radzą sobie z jednym z największych wyzwań architektury – kontrolowaniem energii słonecznej bez rezygnowania z naturalnego światła.