Сегодня я расскажу о технологиях, позволяющих создавать «умные» покрытия, которые управляют солнечным светом и теплом. Они выборочно пропускают нужный спектр, а лишнее тепло превращают в излучение, уходящее прямо в космос.
Современные теплицы — это сложные инженерные системы, где микроклимат регулируется с точностью, близкой к лабораторной. Но при всём этом у них есть старая и до сих пор нерешённая проблема — перегрев.
Летом температура под прозрачным покрытием может подниматься до 45°C и выше. Даже при открытых форточках и включённой вентиляции растения переживают тепловой стресс, из-за которого замедляется фотосинтез и падает урожайность. Снижение температуры всего на 4–5°C часто решает проблему. Но эта разница в несколько градусов может потребовать колоссальных энергозатрат.
Традиционные способы охлаждения, будь то активная вентиляция или кондиционирование, потребляют много энергии. Испарительное увлажнение тоже может снижать температуру, но расходует не только электричество, а ещё и воду.
У промышленных теплиц в жарком климате расходы на охлаждение могут быть настолько высокими, что себестоимость их продукции становится неконкурентной. Поэтому учёные продолжают поиск альтернативных способов борьбы с жарой без вентиляторов и фреона.
Главный источник избыточного тепла в теплице — это солнечный свет, отказаться от которого нельзя, ведь без него не будет и фотосинтеза. Однако сильнее всего греет не видимый свет, который используют растения, а инфракрасное излучение (ИК). В первую очередь, именно ИК-спектр греет воздух и конструкции.
Создание материалов, о которых мы будем говорить, — непростой и очень технологичный процесс. Но сами принципы, лежащие в основе их эффективности, не так уж и сложны. Есть три основных пути решения проблемы перегрева теплиц через управление световым потоком. О каждом из них расскажу просто и понятно.
Самая необычная стратегия — охлаждать теплицу не за счёт вентиляторов, а за счёт бесконечного холодного космоса.
Такой принцип называют radiative cooling или пассивным радиационным охлаждением. И да, звучит очень загадочно, но суть вполне понятна:
- Любое тело (камень, растение, крыша теплицы) излучает тепло в виде инфракрасных волн.
- Обычно это излучение задерживается атмосферой — тёплое тело нагревает воздух вокруг.
- Существует «окно прозрачности» для волн с длиной 8–13 мкм. Если тепло излучается в этом диапазоне, оно не нагревает воздух.
- Если тепловая энергия не нагревает воздух, значит, она беспрепятственно проходит через всю атмосферу, буквально «стекая» в космос.
Материалы, способные излучать именно в этом диапазоне, существуют. Это не что-то фантастическое. Чтобы сформировать из них структуру, которая будет остывать сама, нужно подобрать правильное сочетание этих материалов с другими компонентами, которые будут отражать большую часть солнечного света (чтобы избежать нагрева).
Если всё сделано правильно, температура такой поверхности может быть на несколько градусов ниже температуры воздуха — без какого-либо энергопотребления.
Фотоселективные покрытия
Вторая стратегия куда более приземлённая: не отдавать тепло, а не впускать его внутрь.
Основная идея — фильтрация солнечного потока таким образом, чтобы в теплицу попадал только полезный для растений свет, а всё остальное отражалось или рассеивалось ещё на поверхности.
Солнечное излучение состоит из разных диапазонов.
- Для фотосинтеза растения используют только часть спектра — PAR (400–700 нм).
- Всё, что длиннее (инфракрасноеизлучение) почти не участвует в росте, но активно греет воздух и конструкции теплицы.
- Если убрать этот диапазон, температура внутри снижается на несколько градусов, а полезная для растений освещённость почти не страдает.
Так появились фотоселективные покрытия — материалы, которые пропускают PAR, но отражают или рассеивают ИК, задерживая тепло на входе.
Спектральная конверсия
Третья стратегия работает не с количеством света, а с его качеством. Вместо того чтобы блокировать какие-то диапазоны, такие покрытия преобразуют спектр — перенаправляют энергию света туда, где она полезна растениям.
Часть солнечного излучения, например, ультрафиолет (УФ) или ближний инфракрасный (ИК) растения почти не используют. Материалы со свойством спектральной конверсии содержат специальные люминофоры или квантовые точки, которые поглощают «бесполезные» фотоны и переизлучают их в нужной зоне PAR.
Результат — не охлаждение, а оптимизация светового баланса: меньше стрессовых лучей, больше фотосинтетически активного света. Этот подход может стать отличным дополнением к предыдущей стратегии, позволяя ещё больше снизить потери нужного света в ходе фильтрации.
Гибридные покрытия — оптимальное решение
На практике оказалось, что ни одна из стратегий не решает задачу полностью.
Плёнки с радиационным охлаждением хорошо работают в сухом воздухе, но теряют эффективность при высокой влажности. Фотоселективные покрытия снижают нагрев, но не всегда справляются в экстремальную жару.
Логичный шаг вперёд — объединить оба принципа.
Так появились гибридные материалы, которые отражают ненужное солнечное тепло и одновременно излучают собственное в атмосферу. Они пропускают свет в фотосинтетическом диапазоне (400–700 нм), блокируют нагревающий ИК и активно излучают собственное накопленное тепло в «окне прозрачности» 8–13 мкм.
В лабораториях уже показаны впечатляющие результаты: температура воздуха внутри теплицы с таким покрытием снижалась на 4–6°C по сравнению с контрольной, а температура поверхности крыши — на 7–10°C. При этом освещённость растений в диапазоне PAR оставалась достаточной для активного роста.
В основе технологического процесса создания таких материалов лежит метод коэкструзии, позволяющий формировать многослойную структуру прямо при производстве. В итоге получается составная поверхность, в которой каждый слой выполняет свою задачу:
- Один отражает свет в инфракрасном диапазоне;
- Другой — излучает тепло с длиной волны 8–13 мкм;
- Промежуточные слои обеспечивают прочность и прозрачность.
Добавить в эту же конструкцию слой, обеспечивающий спектральную конверсию для ещё большего повышения эффективности пока проблематично. Но это может оказаться лишь вопросом времени.
Есть и альтернативные решения — нанопокрытия, в которых нужный спектральный эффект достигается за счёт наночастиц оксидов титана, кремния или алюминия.
Пока это ещё не массовый продукт, но уже и не лабораторная экзотика. Промышленные компании тестируют гибридные материалы в теплицах Южной Европы, Израиля и Китая. В условиях сухого жаркого климата они показывают стабильное снижение температуры и экономию воды.
В умеренных регионах эффект не столь значителен, но использование таких материалов всё равно остаётся оправданным.
Важные нюансы
Любая технология хороша в том случае, если она работает в реальных условиях, а не только в лабораториях.
Радиационное охлаждение может показаться панацеей, но эффективность таких покрытий зависит от климата, чистоты поверхности и других факторов среды.
Влажность и климат
Эффект радиационного охлаждения заметнее всего в сухом и прозрачном воздухе. Именно тогда «окно прозрачности» атмосферы открыто для теплового излучения.
В регионах с высокой влажностью часть этого диапазона перекрывается водяным паром, и тепло уже не уходит так свободно. В таких условиях более важную роль играют фотоселективные компоненты, частично отражающие избыточное излучение.
Прозрачность и светопропускание
Чем сильнее материал отражает часть спектра и излучает тепло, тем труднее сохранить его прозрачность. Это один из главных компромиссов при разработке гибридных покрытий.
Слишком плотная структура снижает поток PAR и мешает фотосинтезу, а слишком тонкая — теряет охлаждающий эффект.
Поэтому инженеры подбирают такой баланс, чтобы света было достаточно, но без лишнего тепла.
Загрязнение поверхности
Любая пыль или налёт резко уменьшает эффективность как излучающих, так и отражающих слоёв. Покрытие теряет способность работать с нужными длинами волн, а его температура растёт. Даже лёгкое загрязнение может снизить отражающую способность на 15–20%.
Сейчас разрабатываются самоочищающиеся верхние слои на основе гидрофобных или фотокаталитических полимеров. Они снижают налипание пыли и продлевают срок службы покрытия.
Долговечность
Полимерные материалы со временем стареют под действием ультрафиолета и перепадов температуры. Современные стабилизаторы замедляют этот процесс, но срок эффективной работы таких плёнок пока ограничен несколькими сезонами.
Поэтому в промышленных проектах чаще применяют стеклянные покрытия с отражающим или радиационно-активным слоем. Они дороже, но служат в разы дольше.
Экономика
Технология новая, и на сегодняшний день любой вариант её реализации стоит достаточно дорого.
Для коммерческих теплиц главный вопрос — окупаемость. В южных солнечных регионах использование таких фотоселективных и отражающих покрытий реально оправдано. Затраты на классическое активное охлаждение за несколько сезонов будут выше, чем установка современных технологичных стекол или плёнок.
А вот если зимой теплицу необходимо обогревать, то избыточное отражение ИК-диапазона может даже повысить затраты на отопление.
Теоретические принципы хороши, когда за ними стоит практика. Сегодня на рынке уже есть материалы, использующие селективное отражение и радиационное охлаждение.
Далее покажу несколько примеров того, насколько по-разному можно подойти к решению одной задачи — снизить температуру без потерь света.
Пожалуй, самые известные покрытия, применяемые сегодня в тепличном хозяйстве. Это жидкие составы, которые наносят на стекло или плёнку и смывают в конце сезона. Просто как краску.
ReduHeat отражает ближний инфракрасный диапазон (ИК), уменьшая нагрев, а ReduFuse IR дополнительно рассеивает свет, делая освещение внутри более равномерным. Такая система даёт возможность регулировать уровень отражения под сезон и тип культуры.
Эффект очевиден: температура воздуха в теплице становится на 3–5°C ниже, при этом PAR-светопропускание остаётся на уровне 80–90%.
- Главный плюс — доступность и простота применения.
- Минус — необходимость ежегодного обновления.
AGC AGculture — стекло для теплиц будущего
Японская корпорация AGC выпускает линейку стекла AGculture, где применяются тонкие отражающие и просветляющие покрытия. Они блокируют ИК-диапазон, но при этом повышают прозрачность в PAR-зоне.
Материалы серии Brilliant IR снижают нагрев воздуха примерно на 3–5°C и при этом обеспечивают долгий срок службы — до 20 лет без потери оптических свойств. Решение дорогое, но окупается там, где тепло и освещение нужно контролировать круглый год.
Есть ещё несколько локальных стартапов, которые предлагают плёночное покрытие с использованием тех же принципов. Однако данных об их эффективности и применении пока недостаточно.
Далее рассмотрим примеры лабораторных разработок, которые пока ещё не дошли до конвейера, но выглядят весьма перспективно.
Так называемые T-RC-покрытия (Thermal-Radiative-Cooling) создаются сразу для двух целей: отражать лишнее солнечное тепло и излучать собственное в атмосферное «окно».
В лабораториях Китая, Южной Кореи и США уже показаны реальные результаты: температура воздуха в теплице снижается на 4–6°C, а поверхность крыши — на 7–10°C.
Плёнки создаются в виде многослойных структур, в которых используются полимеры с добавками оксидов титана и кремния. Пока это лишь опытные образцы, но именно за этим направлением большинство исследователей видит ближайшее будущее тепличных покрытий.
Несколько университетских групп (в том числе MIT и Чжэцзянский университет) работают над нанофотонными материалами, способными охлаждаться днём без отражения видимого света. Ключевой элемент — наночастицы, которые управляют взаимодействием с инфракрасным диапазоном, не затрагивая PAR.
Такие материалы уже показали способность снижать температуру поверхности на 10°C относительно воздуха, сохраняя светопропускание выше 85%.
Основная задача сейчас — сделать их более дешевыми и пригодными для крупноформатного производства.
Выводы и перспективы
Радиационно-охлаждающие и фотоселективные покрытия — это важные для всей агросферы технологии. Они показывают, что температуру в теплице можно снижать без использования вентиляторов и кондиционеров.
Гибридные решения, сочетающие оба подхода к управлению солнечным светом, — будущее тепличных технологий. В жарком сухом климате они уже находят практическое применение за пределами лабораторий.
Передовые разработки и прототипы дают возможность обеспечивать растения оптимальным фотосинтетическим излучением при минимальном перегреве.
Да, пока что они весьма дороги и оправданы далеко не во всех климатических зонах. Но оптимизация производства — это вопрос времени. Я уверен, что в ближайшие годы использование таких материалов станет куда более доступным для всех.
Основной вектор развития этих технологий сейчас — повышение прозрачности, устойчивости к загрязнениям и долговечности при снижении затрат на производство.
Вероятно, в ближайшие годы такие покрытия станут стандартом для теплиц в жарких регионах, где охлаждение без энергозатрат даёт прямую экономию. Для ферм в умеренном климате более актуальны сезонные покрытия, состав и плотность которых можно подбирать под конкретную культуру.
В любом случае цель у этого направления одна — снижение затрат ресурсов на охлаждение теплиц. Её реализация, в свою очередь, позволит уменьшить себестоимость продукции ферм, что также может снизить и потребительскую цену.
Кроме всего прочего, это ещё и выглядит очень красиво и даже поэтично. Только представьте — теплица, стены которой разделяют солнечный свет, пропуская лишь нужную его часть. Одновременно с этим вся конструкция ещё и отдаёт накопленное тепло сквозь атмосферу прямо в космос.
Разве не прекрасно?
