Група изследователи от САЩ, Китай, Сингапур и Швеция създаде нов начин за проектиране на материали, които могат да контролират топлината по-ефективно. Тяхната работа, публикувана в Nature, използва машинно обучение за проектиране на така наречените термични метаемитери – материали, които могат да управляват поглъщането и отделянето на топлина. Идеята е, че тези материали могат да помогнат за поддържането на по-ниски температури в сградите, да намалят потреблението на енергия и дори да бъдат полезни в космоса.

Термичната нанофотоника, науката за взаимодействието между светлината и топлината в много малки мащаби, отдавна обещава напредък в области като енергийните технологии, термофотоволтаиката и дори термичната камуфлаж. Но напредъкът е бавен, защото проектирането на тези материали се основава предимно на проби и грешки. Традиционните методи са ограничени от прости форми, фиксирани материали и алгоритми, които често зациклят, преди да намерят най-доброто решение.

Новият подход използва машинно обучение, за да заобиколи тези ограничения. Системата може да се справи с комплексни триизмерни структури и широка гама от материали, дори когато е налице само малко количество данни. Тя има две основни предимства. Първо, може автоматично да търси сред безброй възможни дизайни на структури и материали, за да намери такива, които отговарят на конкретни нужди. Второ, използва метод за моделиране в три равнини, който надхвърля плоските, двуизмерни дизайни, които са възпрепятствали по-ранните усилия.

С този метод екипът създаде повече от 1500 различни материала, които могат да излъчват топлина по различни начини и при различни дължини на вълните. Те представиха и седем концептуални проекта, които показаха по-добри охлаждащи и оптични характеристики от най-съвременните варианти. „Нашата рамка за машинно обучение представлява значителен скок напред в проектирането на термични метаемитери“, казва Юебин Женг, преподавател във Факултета по машинно инженерство на Кокрелското инженерно училище и ко-ръководител на проучването. „Чрез автоматизиране на процеса и разширяване на пространството за проектиране можем да създадем материали с превъзходно представяне, които преди бяха невъобразими.“

За да тестват системата, изследователите създадоха четири материала и ги изпробваха. Един от тях беше нанесен върху покрива на модел на къща и сравнен с търговски бои. След четири часа под пряка слънчева светлина по обяд покривът с метаемитерното покритие беше с 5 до 20 градуса по-хладен от покривите, боядисани в бяло или сиво. Според екипа този охлаждащ ефект може да спести около 15 800 киловата енергия годишно в жилищен блок в горещ град като Рио де Жанейро или Банкок. За сравнение, типичен климатик (AC) използва около 1500 киловата годишно.

Възможните приложения са далеч отвъд дома. Тези материали могат да помогнат за понижаване на температурите в градовете, като отразяват слънчевата светлина и отделят топлина в определени дължини на вълните, намалявайки ефекта на градския топлинен остров, което може да има влияние върху глобалното затопляне.

Те могат да се използват и в космически кораби за контрол на температурата, като отразяват слънчевата радиация и ефективно отделят топлина. Възможни са и ежедневни приложения, като охлаждащи материи за облекло, покрития за автомобили, които намаляват натрупването на топлина, или оборудване за външни дейности.

„Традиционно проектирането на тези материали е бавно и трудоемко, като се разчита на методите на проба и грешка“, обяснява Женг. „Този подход често води до неоптимални проекти и ограничава възможността за създаване на материали с необходимите свойства, за да бъдат ефективни.“ Новата рамка, от друга страна, предоставя общ начин за проектиране на триизмерни нанофотонни материали, като отваря повече възможности за оптимизация и се основава на голяма база данни с материали.

Изследователите планират да продължат да усъвършенстват технологията и да я прилагат в нанофотониката – науката, която изучава взаимодействието между светлината и материята в много малки мащаби.

Снимка: Unsplash

Виж още: След като покори геймърите на Земята, The Witcher полетя в Космоса