ИИ создаёт материалы нового поколения для пассивного охлаждения зданий и экономии энергии

Прорыв в области материаловедения, основанный на применении искусственного интеллекта, может кардинально изменить подход к охлаждению зданий и снижению энергетических затрат в жарком климате. Международная команда исследователей, включая специалистов Техасского университета в Остине, разработала новую категорию трёхмерных тепловых мета-излучателей с использованием методов машинного обучения. Эти инновационные материалы демонстрируют уникальные свойства в управлении тепловым излучением, позволяя более эффективно отводить избыточное тепло в окружающую среду и обеспечивая пассивное охлаждение.

В отличие от привычных решений — таких как белые краски и светоотражающие покрытия, которые работают по принципу отражения солнечного света, — метаэмиттеры обладают способностью селективно излучать тепло на определённых длинах волн. Такой подход позволяет им охлаждать поверхности, не только минимизируя поглощение солнечной радиации, но и эффективно отдавая тепло в инфракрасном диапазоне, даже в условиях интенсивного солнечного освещения.

Используя алгоритмы машинного обучения, учёные смогли за короткое время сгенерировать и протестировать более 1500 вариантов архитектурных конфигураций метаизлучателей. Это позволило выбрать наиболее эффективные с точки зрения теплового управления структуры, недостижимые при классическом инженерном подходе, где перебор и моделирование занимают месяцы, а то и годы.

В экспериментальной части исследования был создан ряд прототипов, один из которых нанесли на крышу модели дома. После четырёх часов под прямыми солнечными лучами крыша с метаэмиттером оказалась прохладнее аналогичной, покрытой белой или серой краской, на 5–20 °C. Такой температурный эффект может привести к реальной экономии — до 15 800 кВт⋅ч электроэнергии в год в многоквартирном доме в климате Рио-де-Жанейро или Бангкока. Это в 10 раз больше среднего потребления обычного кондиционера.

Разработка имеет потенциал далеко за пределами архитектурных применений. Селективные метаизлучатели могут использоваться в городском планировании для уменьшения эффекта городского теплового острова, в космической технике — для стабилизации температурного режима спутников и обитаемых модулей, а также в текстильной промышленности — для создания умной одежды, регулирующей теплоотдачу организма. Их применение возможно и в транспортной отрасли: обивка автомобилей и элементы интерьера с такими материалами способны существенно снижать нагрев салона при стоянке на солнце.

Материалы проектируются с учётом специфических спектральных характеристик: поглощение и излучение тепла происходит строго в заданных диапазонах. Благодаря этому можно создавать узкоспециализированные метаэмиттеры для разных задач: от изоляции до активного охлаждения. В исследовании уже выделены семь функциональных категорий, охватывающих различные сценарии — от фасадных панелей до космических отражателей.

Одной из важнейших инноваций стала способность нейросетевого подхода обрабатывать сложные трёхмерные геометрии с иерархической структурой, что было практически невозможно при традиционных методах. Предыдущие решения ограничивались плоскими или однотипными многослойными материалами и не давали желаемой эффективности в реальных условиях.

Показательно и то, что тепловизионные изображения прототипов после воздействия солнца зафиксировали существенную разницу в распределении температуры между моделями, покрытыми метаизлучателями и теми, что окрашены коммерческой краской. Это свидетельствует о практической эффективности новых материалов и их готовности к реальному внедрению.

Учёные планируют и далее развивать платформу ИИ-дизайна, расширяя её применение на новые области нанофотоники, включая управление светом, энергией и теплом на наноуровне. Они подчёркивают, что в контексте растущих потребностей в энергоэффективности и устойчивости, интеграция ИИ в проектирование функциональных материалов становится не просто перспективой, а насущной необходимостью.

Сочетание искусственного интеллекта, физических моделей и нанотехнологий позволяет создавать не только более умные материалы, но и менять архитектурную и климатическую устойчивость мегаполисов будущего.