Версия для слабовидящих
У белого медведя слишком тонкий мех Печать Email
Новости науки
25.01.2014
Мы преуспели в создании искусственных теплоизолирующих материалов высокой эффективности. И всё ж в ряде случаев кажется, что природа пока умеет больше: белые медведи, пингвины и прочие песцы имеют слой теплоизоляции, с одной стороны, очень тонкий, а с другой — судя по их энергобалансу — какой-то даже чересчур эффективный.

Нужны ли нам 60 см утеплителя — и нельзя ли обойтись медвежьими 5 см? (Здесь и ниже иллюстрации Optics Express / Achim Hering.)


Учёные из Бельгии и Марокко во главе с Присциллой Симонис (Priscilla Simonis), представляющей Намюрский университет (Бельгия), попробовали понять, что именно делает полярные меха а-ля белый медведь такими эффективными. Исследовательница отмечает, что постоянная температура медведей не падает даже при долгих зимах с -40 °C (от себя добавим, что и при куда бóльших холодах), а толщина меха у них всего-то 5 см! У такого же по толщине утеплительного слоя в доме нет никаких шансов, согласно СНиП (в развитых странах мира), и можно не сомневаться, что требовательность арктических нормативов в этом смысле вряд ли ниже.

«Почему нам нужно как минимум 60 см минваты или стекловаты, — вопрошает г-жа Симонис, — чтобы поддерживать 20 °С при температурах около -5 °С? И почему мех полярного медведя лучше, чем то, что мы разрабатываем для утепления домов?»

Заметим, впрочем, что 60 см по периметру — в большинстве случаев невообразимая цифра, которая на практике для тех же стен редко выполняется. Так что в основной части стран с северным климатом толщина утепления много меньше, да и зима кое-где суровее бельгийских -5 °С, поэтому вопрос действительно актуальный.

Тепло, как известно, может утекать двумя путями — радиацией, когда остывание идёт посредством излучения электромагнитных волн (ИК-диапазон), и с передачей колебаний атомов и молекул нагретого тела близлежащим более холодным.

Стандартный способ воспроизведения природных утепляющих материалов очевиден: воздушные полости в мехах означают, что молекулы и атомы твёрдого тела будут отдавать тепло намного более разрежённому воздуху, отчего потери тепла сильно затруднятся. На этой основе созданы утеплители из пенопласта и минваты, составляющие подавляющее большинство такого рода материалов, и та же основа лежит внутри аэрогелей — ещё более эффективных, хотя пока и неподъёмно дорогих материалов, в основном состоящих из воздуха.

Так вот, г-жа Симмонис с коллегами посчитали, что у радиации в этом процессе роль может быть значительно выше, чем считалось.

Смоделировав теплоперенос радиацией в условиях, препятствующих распространению ИК-излучения, учёные попытались воспроизвести реальную ситуацию с мехом животных, в котором отдельные волокна не дают ИК-излучению от тела свободно удаляться в окружающее пространство. Когда в симуляции использовались защитные слои с поглощением, характерным для чёрного тела, эффективность меха была сравнительно невысокой. Сделав же защитные слои светлыми, удалось добиться резкого падения переноса тепла. В целом модель приводит к очевидному, казалось бы, выводу: повторяющееся рассеивание инфракрасного излучения между многочисленными слоями, препятствующими распространению радиации, подавляет процесс остывания нагретого тела и нагревания близко расположенного холодного.

При этом, утверждают учёные, есть вероятность, что такой механизм в теплоизолирующих свойствах меха и перьев может быть важнее, чем блокировка других путей теплопереноса.

Птичьи перья — ещё один пример теплоизоляциик, которая и эффективна, и по человечесим меркам очень тонка.


Одновременно «правильная» структура меха и перьев не только рассеивает дальнее ИК-излучение, но и делает то же самое с видимым светом, что заставляет полярных животных выглядеть белыми в видимом диапазоне, добавляя к прекрасной теплоизоляции ещё и эффективный камуфляж.

Как полагает исследовательница, этот подход следует использовать для разработки новых групп теплоизолирующих материалов, включая в их состав необычные многослойные компоненты с высокой отражающей способностью — такие как металлы.

Лучшей формой для этого, кроме простых многослойных покрытий, может оказаться «меховая» структура, где вместо разнесенных слоёв используются различные нитевидные образования. В итоге, полагают учёные, можно будет добиться эффективной теплоизоляции с помощью ультратонких искусственных материалов.

Отчёт об исследовании опубликован в журнале Optics Express.

Подготовлено по материалам Optical Society.

Материал подготовлен при поддержке проекта

Источник - http://compulenta.computerra.ru/veshestvo/materialovedenie/10011087/

 

Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта