- Сообщения
- 4.590
- Реакции
- 5.049
Сенсационные открытия в наши дни совершают не только роботы с ИИ, но и живые люди.
Например, ученые разработали метод охлаждения одного из самых жарких городов мира.
Они доказали, что использование комбинации стратегий и методов охлаждения обладает потенциалом для снижения как температуры, так и потребности в энергии в Эр-Рияде (Саудовская Аравия).
Недавнее исследование, проведенное UNSW Sydney, демонстрирует, что значительное снижения температуры в крупных городах, расположенных в жарком пустынном климате, можно добиться вместе с уменьшением затрат на энергию.
Выводы, недавно опубликованные в издании Nature Cities, подробно описывают многогранную стратегию охлаждения столицы Саудовской Аравии на 4,5 ° C, которая сочетает высокоотражающие «суперхолодные» строительные материалы, разработанные Лабораторией высокоэффективной архитектуры, с орошаемой зеленью и энергией.
Исследование, проведенное в сотрудничестве с Королевской комиссией Эр-Рияда, является первым в исследовании крупномасштабных энергетических преимуществ современных технологий смягчения тепла для их применения в городе.
«Проект демонстрирует огромное влияние передовых технологий и методов смягчения тепла для уменьшения перегрева в городах, уменьшения потребности в охлаждении и улучшении жизни", - говорит старший автор исследования, профессор Scientia UNSW Маттеос (Мат) Сантамурис.
Профессор Сантамурис специализируется на разработке технологий смягчения тепла и стратегии снижения городских температур в жарких частях земного шара. Экстремальная городская жара влияет более чем на 450 городов по всему миру, увеличивая потребности в потреблении энергии и негативно влияя на здоровье их обитателей.
Эр-Рияд, столица Саудовской Аравии, как раз один из таких городов. Расположенный в центре пустыни, он является одним из самых жарких городов в мире – летом температура здесь обычно превышает 50°C. Кроме того, изменение климата и быстрая урбанизация увеличивают масштабы перегрева.
«Ограниченная зелень и крупные искусственные поверхности, изготовленные из обычных строительных материалов, таких как асфальт и бетон, задерживают тепло, а это значит, что город продолжает нагреваться - говорит профессор Сантамурис - Дополнительное тепло от загрязнения автомобилями и промышленной деятельности также повышает температуру в городе».
Для исследования команда под руководством исследователей UNSW провела масштабное климатическое и энергетическое моделирование охлаждения в районе Эр-Риада Аль-Масиаф. Оно включало анализ энергетической эффективности 3323 городских зданий по восьми разным сценариям смягчения тепла, чтобы оценить оптимальные стратегии понижения температуры и уменьшить потребность в механическом охлаждении.
Моделирование, рассматривавшее различные комбинации «суперхолодных» материалов, разных типов растительности и уровней энергетической модернизации, показало, что можно снизить внешнюю температуру в городе почти на 8,1°F (4,5°C) летом. Стратегия также улучшит энергосбережение охлаждающих систем города на 16 процентов.
Рекомендуемый сценарий смягчения тепла (охлаждения) для Эр-Рияда предполагает использование сверххолодных материалов, установленных на крышах зданий, и более чем удвоение количества орошаемых деревьев для улучшения транспирационных охлаждений.
Ученые доказали, что слепое внедрение методов городского охлаждения, не основанных на детальной и передовой научной оптимизации (таких как использование зеленых насаждений без орошения) наоборот, может привести к значительному повышению температуры в городе.
«Внедряя правильную комбинацию передовых технологий и методов смягчения тепла, можно снизить температуру окружающей среды в масштабе участка - говорит профессор Сантамурис - Для жаркого города размером с Эр-Рияд существенное сокращение потребностей в охлаждении критично важно для устойчивого развития».
А австралийские ученые напечатали 3D-структуру, которая прочнее любого «аэрокосмического» сплава.
Метаматериалы – это искусственные материалы, то есть созданные в лаборатории, в том числе напечатанные на 3D-принтере. Они могут состоять как из одного, так и нескольких обычных материалов. Их главное отличие от обычных — запланированное творцами наличие свойств, которых не было у исходников.
За последние 20 лет инженеры создали большое количество разнообразных метаматериалов с металлическими включениями в виде решетки – из титановых, алюминиевых сплавов, сплавов на основе никеля и нержавеющей стали.
И хотя они оказались лучше многих конструкционных материалов, лишь некоторые из них были эффективнее тех же сплавов магния, которые сегодня широко используются в авиационной и ракетной технике из-за их малой плотности, высокой удельной прочности и виброизоляционных свойств.
Поэтому ученые уже давно пытаются создать «сырье», которое смогло бы работать в сложных условиях: быть сверхпрочным и выдерживать экстремальные температуры и нагрузки.
Австралийские исследователи из Мельбурнского королевского технологического университета создали новый метаматериал из титанового сплава Ti-6Al-4V (в сплаве сам титан, шесть процентов алюминия и четыре процента ванадия), который оказался на 50 процентов прочнее самого прочного коммерческого магниевого сплава W85.
Ti-6Al-4V – один из титановых сплавов, применяемый там, где необходима малая плотность и высокая коррозионная стойкость, – в аэрокосмической отрасли. Результаты работы были опубликованы в журнале Advanced Materials.
Источником вдохновения для учёных стала природа. Они изучили растения с крепкими стеблями, имеющими полую трубчатую структуру, сочетающую в себе прочность и легкость, такие как кувшинки (Victoria boliviana) и кораллы (Tubipora musica).
Затем исследователи постарались воспроизвести эту структуру на практике. Для этого они использовали 3D-печать.
«Многие ученые десятилетиями пытались воспроизвести в металле эти естественные полые ячеистые структуры, но постоянно терпели неудачу. Одна из главных причин, почему это не получалось – возникающее напряжение в точках соединения внутренних участков полых стоек, которое приводило к разрушению конструкций. В идеале напряжение должно равномерно распределяться по всему материалу» – объяснил Ма Цянь (Ma Qian), руководитель исследования.
Чтобы уменьшить высокий уровень напряжения, возникающего в точках соединения «лабораторной» трубчатой решетки, Цянь и его коллеги усилили ее — наложили сверху вторую решетку, добавив тонкий крестообразный разрез, проходящий через трубы и соединения. Это позволило равномерно распределить нагрузку при сжатии.
Для изготовления такой конструкции специалисты использовали метод 3D-печати, называемый лазерной плавкой металла в сформированном слое (Laser Beam Powder Bed Fusion). Это одна из наиболее обкатанных технологий печати металлических изделий, в которой применяется мощный лазерный луч для плавления металлопорошковых композиций.
Ученые испытали свой метаматериал в лаборатории в разных сложных условиях. Выяснилось, что напечатанная конструкция — титановый куб — на 50 процентов прочнее магниево-литиевого сплава WE54, который считается самым прочным коммерческим сплавом, который используется в авиационной и космической промышленности.
Образцы метаматериала легко изменяются в размерах - от нескольких миллиметров до нескольких метров - в зависимости от доступных принтеров, и выдерживают (при таком составе) нагрев до 350 градусов по Цельсию или до 600 градусов, если использовать более термостойкие титановые сплавы.
По словам авторов исследования, в ближайшем будущем их материал будет пригоден для изготовления частей авиационной и ракетной техники, беспилотных пожарных систем, а также для создания костных имплантатов в медицине, где сложная, частично пустая форма может впоследствии заполняться клетками отросшей костной ткани.
