"Pametna" oblačila na sončno energijo bi lahko hitro segrela ali ohladila vaše telo

"Pametna" oblačila na sončno energijo bi lahko hitro segrela ali ohladila vaše telo

Časovni žig: 18. december 2023 1:57
Solar-Powered 'Smart' Clothing Could Rapidly Heat or Cool Your Body PlatoBlockchain Data Intelligence. Vertical Search. Ai.

Slabo nadzorujem telesno temperaturo. Glavo potisnem v zamrzovalnik, ko je zunaj vroče. Krvne žile v mojih rokah se krčijo, ko je vlažno in hladno. »Vroče sem; zdaj me zebe« je pogosta šala v moji družini.

Vendar imam srečo: v primerjavi s hladnokrvnimi živalmi imamo ljudje na voljo nešteto načinov, kako vzdrževati svoje telo pri različnih temperaturah. Tresemo se, ko nas zebe, in se znojimo, da preprečimo vročino. In ko se borimo v ekstremni vročini ali mrazu, imamo možgane, da zamenjamo svojo garderobo.

Sliši se očitno, vendar so nam oblačila omogočila raziskovanje daljnih koncev našega sveta, medtem ko so relativno udobna in varna. Toda tudi najbolj tehnična oblačila – samogrelni brezrokavniki, plasti Gore-Tex ali obleke z vgrajenimi ledenimi vložki – imajo svoje meje. Večina jih lahko ogreje ali ohladi telo - vendar ne obojega - ali potrebuje zunanji vir energije ali zajeten paket baterij.

Ta oblačila omahujejo v puščavah ali na visokih območjih, kjer lahko temperature drastično nihajo od žgoče vročine do pod ledišče. In ko bomo presegli Zemljo, bi lahka obleka, ki nadzoruje telesno temperaturo, lahko naredila daljše vesoljske sprehode verjetnejše in prijetnejše.

Ta teden so znanstveniki z univerze Nankai naredil korak proti pametna oblačila, ki hitro prilagodijo telesno temperaturo samo s sončno energijo. Ekipa je oblikovala prožen material, ki zajema sončno svetlobo za shranjevanje in prenos toplote. Čez dan obliž odvaja toploto s kože in shranjuje odvečno energijo. Ponoči, ko je hladneje, sprosti to zalogo energije, da kožo segreje na prijetne ravni.

Ker enoto napaja sončna energija, lahko vzdržuje temperaturo kože brez baterije. Obliž se lahko tudi hitro prilagodi nihanju temperature okolja s samodejnim preklapljanjem med načinoma hlajenja in ogrevanja.

V testu je ekipa namestila obliž na roko prostovoljca in ohladila njegovo kožo za več kot devet odstotkov v samo nekaj sekundah. Obliž lahko poskrbi za udobje kože, ko je izpostavljena širokemu razponu temperatur – od ledišča do vročine na ravni Doline smrti.

Namesto oblikovanja oblačil, izdelanih v celoti iz tega materiala, skupina predvideva, da jih je mogoče strateško vtkati v vsakodnevno modo ali vesoljske obleke – z večjimi zaplatami na predelu trupa in hrbta ter manjšimi, prilagojenimi ramenom, nadlahtem in sprednjemu delu stegen. . Tudi brez prekrivanja celotnega telesa lahko visoka učinkovitost obližev pri shranjevanju in prenosu toplote uporabnikom zagotavlja udobje ves dan – dokler je le nekaj ur sonca.

Naprava "odpira veliko možnosti" za "razširitev človeške prilagoditve na težka okolja," Napisal dr. Xingyi Huang in Peng Li na univerzi Jiao Tong v Šanghaju, ki nista sodelovala v študiji.

Znanstveno-fantastična moda

Težko je premagati gnezdenje pod ogrevano odejo, medtem ko zunaj opazujete sneg. Nasprotno pa je teči ven v hladen zimski zrak, da bi lovil darilni paket, popolna nočna mora - še posebej, ko nosite pižamo in copate.

Naša telesa niso ustvarjena za ekstremne temperature. Biološki procesi, ki nam omogočajo, da razmišljamo, čutimo, dihamo in prebavljamo, so odvisni od beljakovin, ki najbolje delujejo med majhnim razponom okoljskih temperatur. Imenuje se »območje toplotnega ugodja« in je približno med 71 in 82 stopinjami Fahrenheita (ali 22 in 28 stopinjami Celzija). Temperature izven tega razpona povzročijo, da se telo poti ali drhti, da ohranjamo notranjo temperaturo pod nadzorom. Toda ti biološki mehanizmi odpovejo pri ekstremni vročini ali mrazu, kar povzroči vročinski udar, ozebline ali celo smrt.

Oblačila lahko razširijo območje toplotnega udobja z uravnavanjem temperature kože bodisi pasivno bodisi aktivno. Pasivne možnosti ne potrebujejo vira napajanja. Nekateri, kot so grelniki za roke, uporabljajo kemične reakcije za ustvarjanje in sproščanje toplote. Drugi odvajajo toploto v okolico, da ohladijo uporabnike ali odbijajo telesno toploto nazaj na kožo, da jo ohranijo toplo. V to kategorijo spadajo napihnjene jakne, gamaše za hlajenje ovratnika ali tkanine, ki vpijajo znoj.

Aktivni materiali uporabljajo zunanji vir energije za hitro spreminjanje temperature materiala na zahtevo. Toda zaradi visoke porabe energije je težko vzdrževati temperaturo ves dan, zlasti ko je uporabnik na poti.

Solarno-termalna obraba

Nova študija je izenačila aktivne materiale z uporabo naravnega vira energije: sonca.

Upogljiv material je kot sendvič z odprtim obrazom. Na vrhu je prilagodljiva solarna plošča, ki hitro pretvarja sončno svetlobo v električno energijo in modul za shranjevanje za zajemanje odvečne energije. Spodnja stran, obrnjena proti koži, je elektrokalorična naprava – tanek film, ki hitro spremeni svoje lastnosti, ko je izpostavljen elektriki. Zaradi električnega zapiranja ta plast absorbira toploto in znižuje temperaturo okolja. Z izklopom električnega polja se proces obrne in naprava prenese toploto na kožo.

Naprava lahko hitro preklaplja med cikli ogrevanja in hlajenja, za razliko od prejšnjih togih različic pa je material upogljiv in se lahko oblikuje na človeško kožo kot obliž.

V enem preizkusu je ekipa položila material na roko prostovoljca in spreminjala temperaturo okolja med hladno in zelo popečeno. Z infrardečo kamero so spremljali temperaturo kože prostovoljca.

Majhna zaplata je dosegla ugodne temperature v nekaj sekundah po spremembi temperature okolja. Bil je tudi samozadosten, zlahka je deloval cel dan na dvanajstih urah sončne svetlobe.

V neznano?

Nov sistem razširi naravno območje toplotnega ugodja naše kože. "Impresivna" širitev omogoča telesu, da se "prilagaja bolj zapletenim in spreminjajočim se okoljem," sta zapisala Huang in Li.

One potential application is weaving the material “into a conventional spacesuit to help reduce the overall power requirements,” wrote the team. Though finding space (no pun intended) could pose a challenge. A fitted spacesuit has only so much area exposed to sunlight, which limits the size of the panels. Roughly 60 percent of a spacesuit will have to be covered by the material to power it for a full day without an external battery source.

Poleg tega tudi na Zemlji zmanjševanje sončne svetlobe pozimi oteži polnjenje materiala – še posebej, če raziskujemo polarna območja, kjer dan skoraj izgine.

Ekipa že dela na tem, da bi gradivo naredila bolj praktično. Ena od idej je uporaba temperaturno občutljivih električnih komponent, ki bi lahko dodatno povečale obseg nadzora temperature obliža. Drugi je dodajanje kemikalij, ki povečajo sposobnost obliža za prevajanje električne energije, zaradi česar je učinkovitejši pri shranjevanju in prenosu toplote. Povezovanje več elektrokaloričnih plasti od glave do pet bi lahko tudi povečalo sposobnost naprave za obvladovanje temperaturnih sprememb.

Za Huanga in Lija se material uporablja veliko več kot samo oblačila. Lahko prevleče vozila ali zgradbe, da ohrani temperaturo brez klimatske naprave. Z ekstremnimi temperaturami vzeti več življenj kot orkani, poplave ali tornadi skupaj, ti materiali niso samo za neustrašne raziskovalce – lahko spremenijo naše vsakdanje življenje.

Kreditno slike: Kajetan Sumila / Unsplash

Časovni žig:

Več od Središče singularnosti