«Умная» одежда на солнечной энергии может быстро нагревать или охлаждать ваше тело

«Умная» одежда на солнечной энергии может быстро нагревать или охлаждать ваше тело

Отметка времени: 18 декабря 2023 г., 1:57
«Умная» одежда на солнечной энергии может быстро нагревать или охлаждать ваше тело. Платоблокчейн. Анализ данных. Вертикальный поиск. Ай.

У меня ужасный контроль температуры тела. Я сую голову в морозилку, когда на улице очень жарко. Кровеносные сосуды в моих руках спазмируются, когда сыро и холодно. «Мне жарко; теперь мне холодно» — популярная шутка в моей семье.

Но мне повезло: по сравнению с хладнокровными животными, мы, люди, обладаем множеством способов поддерживать работу своего тела в диапазоне температур. Мы дрожим, когда холодно, и потеем, чтобы защититься от жары. И когда мы боремся в сильную жару или холод, у нас хватает ума сменить гардероб.

Это звучит очевидно, но одежда позволила нам исследовать дальние уголки нашего мира, оставаясь при этом относительно комфортной и безопасной. Но даже у самой технической одежды — самонагревающихся жилетов, слоев Gore-Tex или костюмов со встроенными пакетами для льда — есть свои ограничения. Большинство из них могут либо согревать, либо охлаждать тело (но не то и другое) или требуют внешнего источника питания или громоздкого аккумуляторного блока.

Эта одежда теряет свою актуальность в пустыне или на высокогорьях, где температура может резко колебаться от палящей жары до температуры ниже нуля. А когда мы выйдем за пределы Земли, легкий костюм, контролирующий температуру тела, может сделать длительные выходы в открытый космос более правдоподобными и приятными.

На этой неделе ученые из Нанкайского университета сделал шаг навстречу умная одежда, которая быстро регулирует температуру тела, используя только солнечную энергию. Команда создала гибкий материал, который улавливает солнечный свет для хранения и передачи тепла. В течение дня пластырь отводит тепло от кожи и сохраняет излишки энергии. Ночью, когда прохладнее, он высвобождает этот запас энергии, чтобы нагреть кожу до комфортного уровня.

Поскольку устройство питается от солнечной энергии, оно может поддерживать температуру кожи без аккумуляторной батареи. Патч также может быстро адаптироваться к колебаниям температуры окружающей среды, автоматически переключаясь между режимами охлаждения и обогрева.

В ходе испытания команда поместила пластырь на руку добровольца и охладила его кожу более чем на девять процентов всего за секунды. Пластырь мог сохранять кожу комфортной при воздействии широкого диапазона температур — от замерзания до жары Долины Смерти.

Вместо того, чтобы создавать одежду, полностью изготовленную из этого материала, команда предполагает, что ее можно стратегически вплетать в повседневную моду или скафандры — с более крупными заплатками на туловище и спине и меньшими, адаптированными к плечам, плечам и передней части бедер. . Даже не закрывая все тело, высокая эффективность пластырей в сохранении и передаче тепла позволяет владельцам чувствовать себя комфортно в течение всего дня — пока есть несколько часов солнечного света.

Устройство «открывает множество возможностей» для «расширения адаптации человека к суровым условиям окружающей среды». писал Доктора. Синъи Хуан и Пэн Ли из Шанхайского университета Цзяо Тонг, которые не участвовали в исследовании.

Научно-фантастическая мода

Трудно победить птенца под нагретым одеялом, наблюдая, как на улице падает снег. Напротив, выбежать на холодный зимний воздух в поисках подарочной упаковки — это настоящий кошмар, особенно в пижаме и тапочках.

Наши тела не созданы для экстремальных температур. Биологические процессы, которые позволяют нам думать, чувствовать, дышать и переваривать пищу, зависят от белков, которые лучше всего функционируют в небольшом диапазоне температур окружающей среды. Называемая «зоной теплового комфорта», она составляет примерно от 71 до 82 градусов по Фаренгейту (или от 22 до 28 градусов по Цельсию). Температура за пределами этого диапазона заставляет тело потеть или дрожать, чтобы держать внутреннюю температуру под контролем. Но эти биологические механизмы выходят из строя в сильную жару или холод, что приводит к тепловому удару, обморожению или даже смерти.

Одежда может расширить зону теплового комфорта, регулируя температуру кожи пассивно или активно. Пассивные варианты не нуждаются в источнике питания. Некоторые, например, грелки для рук, используют химические реакции для генерации и выделения тепла. Другие рассеивают тепло в окружающую среду, чтобы охладить пользователей, или отражают тепло тела обратно на кожу, чтобы сохранить ее тепло. В эту категорию попадают пухлые куртки, охлаждающие гетры или ткани, впитывающие пот.

Активные материалы используют внешний источник питания для быстрого изменения температуры материала по требованию. Но из-за высокого энергопотребления сложно поддерживать температуру в течение всего дня, особенно когда пользователь находится в движении.

Солнечно-тепловая одежда

Новое исследование позволило повысить уровень активных материалов за счет использования природного источника энергии: солнца.

Гибкий материал похож на открытый сэндвич. Сверху находится гибкая солнечная панель, которая быстро преобразует солнечный свет в электрическую энергию, и модуль хранения для улавливания избыточной энергии. Нижняя, обращенная к коже сторона представляет собой электрокалорическое устройство — тонкую пленку, которая быстро меняет свои свойства под воздействием электричества. Благодаря электрическому разряду этот слой поглощает тепло и снижает температуру окружающей среды. Выключение электрического поля обращает процесс вспять, и устройство передает тепло коже.

Устройство может быстро переключаться между циклами нагрева и охлаждения, а в отличие от предыдущих жестких версий, материал сгибается и может повторять контуры кожи человека, как пластырь.

В одном тесте команда поместила материал на руку добровольца и меняла температуру окружающей среды от холодной до очень высокой. Они контролировали температуру кожи добровольца с помощью инфракрасной камеры.

Небольшой участок достиг комфортной температуры в течение нескольких секунд после изменения температуры окружающей среды. Он также был самодостаточным и легко работал целый день при двенадцати часах солнечного света.

В неизвестность?

Новая система расширяет естественную зону теплового комфорта нашей кожи. «Впечатляющее» расширение позволяет организму «адаптироваться к более сложной и меняющейся среде», пишут Хуан и Ли.

Одним из потенциальных применений является вплетение этого материала «в обычный скафандр, чтобы снизить общие требования к мощности», пишет команда. Хотя найти место (без каламбура) может стать проблемой. Установленный скафандр имеет ограниченную площадь, подверженную воздействию солнечного света, что ограничивает размер панелей. Примерно 60 процентов скафандра должно быть покрыто материалом, чтобы обеспечить его питанием на целый день без внешнего источника питания.

Кроме того, даже на Земле сокращение солнечного света зимой затрудняет зарядку материала, особенно при исследовании полярных регионов, где дневное время практически исчезает.

Команда уже работает над тем, чтобы сделать материал более практичным. Одна из идей состоит в том, чтобы использовать чувствительные к температуре электрические компоненты, которые могли бы еще больше расширить диапазон контроля температуры патча. Другой вариант — добавить химические вещества, которые повышают способность пластыря проводить электричество, делая его более эффективным в хранении и передаче тепла. Соединение нескольких электрокалорических слоев с ног до головы также может повысить способность устройства справляться с изменениями температуры.

По мнению Хуана и Ли, этот материал имеет гораздо большее применение, чем одежда. Им можно покрывать транспортные средства или здания, чтобы контролировать температуру без кондиционирования воздуха. С экстремальными температурами забирая больше жизней чем ураганы, наводнения или торнадо вместе взятые, эти материалы предназначены не только для бесстрашных исследователей — они могут изменить нашу повседневную жизнь.

Изображение Фото: Каэтан Сумила / Unsplash

Отметка времени:

Больше от Singularity Hub