Физики из Стэнфордского университета (США) провели научные исследования по выявлению эффективности фотонных кристаллов для целей снижения радиационной составляющей теплообмена. Результаты проведенной работы позволили ученым заявить о том, что если фотонные кристаллы будут использованы для увеличения эффективности термоса, то горячая вода, залитая в такой инновационный термос, не остынет на протяжении нескольких лет. Результаты исследований физиков из Стэнфордского университета кратко освящены в научно-популярной статье «Фотонные кристаллы запирают тепло на замок», которая неоднократно цитировалась интернете.
По своим пространственно-геометрическим характеристикам фотонные кристаллы подразделяются на одномерные, двухмерные и трехмерные фотонные кристаллы. Как уже отмечалось выше, структура из регулярно расположенных микросфер, например, при плотной гексагональной упаковке является характерным примером трехмерного фотонного кристалла. В качестве примера двухмерного фотонного кристалла можно привести тонкий (но, толщиной более толщины скин слоя) дырчатый щит с регулярно расположенными отверстиями диаметр, которых имеет порядок длины волны, на которую приходится энергетический максимум области излучения кристалла. Картина корректирования излучения нагретой поверхности для случая присутствия двухмерного фотонного кристалла в виде дырчатого щита приведена на рис 2, для наглядного сравнения на том же рисунке пунктирной линией приведена закономерность излучения для идеализированного случая абсолютно черного тела.
Рис. 2. Характеристика излучения двухмерного фотонного кристалла в виде дырчатого щита
Рис. 2 служит наглядной демонстрацией того факта, что в случае присутствия фотонных кристаллов на или вблизи какой либо поверхности кардинальным образом изменяются картина излучения характерная, например, для большинства лакокрасочных материалов, аналогами которых (по технологической, но не физической сути) являются «теплоизолирующие покрытия» на основе полых микросфер».
С точки зрения практика, специализирующегося в области теплоизолирующих материалов и конструкций, при использования пластины толщиной немногим более толщины скин слоя (тысячные доли миллиметра) и, тем более, при наличии в такой пластине многочисленных отверстий совершенно не стоит ожидать какого либо существенного эффекта при использовании подобной пластины для целей снижения тепловых потерь, например, с поверхности того же самого трубопровода.
В то же время следует отметить, что как «вещь в себе» идеальный фотонный кристалл вовсе не является теплоизолирующим материалом. В зависимости от целого ряда факторов использование фотонного кристалла может приводить как к существенному снижению тепловых потерь, так и, напротив, к заметной интенсификации теплообмена.
Одно из характерных свойств фотонных кристаллов (но не всех видов) это заметная (или практически полная) прозрачность для собственного излучения. Вследствие наличия свойства прозрачности для собственного излучения, эффект от использования фотонного кристалла, «работающего» в инфракрасной области на (или вблизи) нагретой поверхности, в существенной мере будет зависеть от оптических свойств поверхности, поскольку в данном случае мы имеем дело не только с «классической» теплопроводностью, но и с оптическими эффектами в инфракрасной области.
Для цели дальнейшего определения влияния оптических свойств подложки на эффект от использования «теплоизолирующих покрытий» с полыми микросферами автором было предложено проведение серии экспериментов, в ходе которых перед нанесением на поверхность фольги «жидких теплоизолирующих покрытий» эта поверхность выкрашивалась черной акриловой краской. После вышеописанной модификации оптических свойств поверхности эффект от применения «жидких теплоизолирующих покрытий» сменился на противоположный - вместо заметной интенсификации теплообмена стало наблюдаться существенное снижение тепловых потерь. Следует отметить, что для теплоизолирующих покрытий различных производителей абсолютные величины наблюдаемых эффектов в плане интенсификации теплообмена или снижения тепловых потерь существенно отличались, но в тоже время общая тенденция соблюдалась для всех испытанных образцов - наблюдение интенсификации теплообмена, когда подложка имела ярко выраженные отражающие свойства в инфракрасной области, и снижение тепловых потерь после нанесения «теплоизолирующих покрытий» на основе микросфер поверх черной краски.
Комментируя результаты экспериментов, когда при использовании подложки с ярко выраженными отражающими свойствами в инфракрасной области, нанесение на поверхность участка трубопровода «жидких теплоизолирующих покрытий» различных производителей приводило к интенсификации теплообмена (увеличению тепловых потерь) следует сделать ряд важных замечаний:
1. Поскольку проявление свойств фотонного кристалла в существенной степени зависит от соблюдения регулярности расположения и точности классификации (по размерам) элементарных дискретных элементов, то в случае «теплоизолирующих покрытий» на основе полых микросфер, по вполне понятным причинам, соблюдения идеальной регулярности и классификации ожидать не приходится.
2. Обстоятельство, связанное с наличием большого количества дислокаций (нарушением упорядоченности и заметных отклонений от приемлемых границ классификации), предполагает, что в случае «теплоизолирующих покрытий» на основе полых микросфер наряду с проявлением свойств фотонного кристалла следует ожидать как проявлений свойств дисперсной среды, так и проявление свойств банальной пористой структуры со всеми вытекающими из этого последствиями.
3. Одним из последствий упомянутых в п.2 является то, что при наличии подложки с выраженными отражающими свойствами, увеличение слоя «теплоизолирующего покрытия» на основе полых микросфер приводит к тому, что эффект интенсификации теплообмена замещается незначительным по величине снижением тепловых потерь, а при наращивании слоя «теплоизолирующего покрытия» до нескольких миллиметров, превалирующий фактор в снижении тепловых потерь связан уже с проявлением свойств банальной пористой структуры.
4. В случае тонких слоев «теплоизолирующих покрытий» на основе полых микросфер существуют признаки наличия если не четкой температурной границы, то, по меньшей мере, переходной области, когда при снижении температуры эффект интенсификации теплообмена либо проявляется незначительно (на уровне погрешности измерений), либо полностью отсутствует.
Дополнительно следует отметить, что к настоящему времени не приходится достоверно говорить о том, что эффект интенсификации теплообмена распространяется абсолютно на все «жидкие теплоизолирующие покрытия» российского производства. Тестированию на интенсификацию теплообмена при наличии отражающей подложки не были подвергнуты материалы следующих торговых марок: «Астратек», «Бутакрил-тепло», «Изоллат», «Корунд» и «Теризол». Среди подобных материалов импортного производства тестированию на интенсификацию теплообмена было подвернуто «жидкое теплоизолирующее покрытие» под торговой маркой «Термошилд», результат теста в плане увеличения тепловых потерь показал положительный результат. Для проведения испытаний у торгового представителя производителя «Термошилд» был запрошен образец материала, предназначенного для теплоизоляции трубопроводов.
После выявления и многократного экспериментального подтверждения зависимости эффекта использования «жидких теплоизолирующих покрытий» от оптических свойств подложки следующим этапом исследований стали опыты по выявлению признаков наличия полупроводникового эффекта, характерного для фотонных кристаллов. Далее следует краткое обоснование выбора схемы эксперимента по выявлению наличия полупроводникового эффекта.
Не смотря на то, что с момента начала активного исследования фотонных кристаллов прошло не так много времени, к настоящему моменту учеными уже найдено достаточно много сфер для практического использования фотонных кристаллов. Кроме существенного увеличения эффективности теплоизолирующих материалов и конструкций, фотонные кристаллы планируется использовать, в частности, для увеличения эффективности фотоэлектрических элементов. Для увеличения эффективности фотоэлектрических элементов планируется использовать фотонные кристаллы, состоящие именно из микросфер. Наличие фотонного кристалла с соответствующими оптическими свойствами на поверхности фотоэлектрического элемента позволяет изменить спектральную картину поступающего на поверхность излучения таким образом, чтобы энергетический максимум излучения кристалла совпадал с областью, в которой фотоэлектрический элемент показывает наибольшую эффективность по преобразованию энергии излучения в электрическую энергию.
В качестве побочного результата увеличения эффективности фотоэлектрического элемента при использовании на его поверхности фотонного кристалла, состоящего из полых микросфер, следует ожидать дополнительного разогрева, вызванного наличием полупроводникового эффекта, характерного для фотонных кристаллов.
С целью выявления эффекта дополнительного нагрева в ходе облучения инфракрасным излучением при использовании на поверхности «теплоизолирующего покрытия», содержащего полые микросферы были изготовлены две идентичные модели в виде полых гильз из участков трубопровода с внешним диаметром 89 мм., и высотой 350 мм. Внешние поверхности гильз были плотно обернуты селективным материалом, изготовленным в НПО «Машиностроения» методом магнетронного напыления.
В ходе проведения серии экспериментов поверх селективного материала, расположенного на одной из гильз, наносились «жидкие теплоизолирующие покрытия» различных производителей. Далее в гильзы наливалась вода и гильзы размещались на одинаковом расстоянии от излучающей поверхности искусственного источника инфракрасного излучения мощностью 750 Вт. Динамика нагрева воды в гильзах фиксировалась при помощи измерительных зондов, подключенных к двухканальному измерителю-регулятору температуры ИРТ4/2. После проведения очередного цикла тестирования селективный материал, на который было нанесено «жидкое теплоизолирующее покрытие, удалялся с поверхности, и гильза снова оборачивалась селективным материалом для тестирования очередного образца.
Рис. 3.
На рис. 3 представлены результаты эксперимента в случае использования поверх селективного материала «жидкого теплоизолирующего покрытия» «TSM-ceramic», нанесенного слоем со средней толщиной 0.5-0.6 мм.
Линия, обозначенная цифрой 1, показывает температуру воды в той гильзе, где поверх селективного материала нанесен слой «жидкого теплоизолирующего покрытия», линия 2 отражает динамику нагрева воды в гильзе, на поверхности которой присутствует только селективный материал.
С точки зрения представлений о свойствах пористых материалов, каковыми являются «жидкие теплоизолирующие покрытия», содержащие полые микросферы, результат эксперимента, представленный на рис. 3 является по истине феноменальным - вместо того, чтобы показывать какое либо сопротивление теплопередаче или, по меньшей мере, оказывать на излучение рассеивающее действие, что должно приводить к снижению скорости нагрева, «теплоизолирующее покрытие» способствует заметному увеличению скорости нагрева воды, залитой в гильзу.
Существуют научные публикации, в которых делаются попытки анализа оптических свойств субстанций типа «полые микросферы-полимерное связующее», каковыми являются «жидкие теплоизолирующие покрытия», с точки представления о дисперсных средах. Среди таких работ следует отметить [4] и [5]. В то же время представление о дисперсных средах как о том, что должно оказывать на излучение рассеивающее воздействие, в смысле результата эксперимента, представленного на рис. 2, должно вызывать вполне оправданное недоумение.
Получив убедительные доказательства того, что в случае «жидких теплоизолирующих покрытий», содержащих полые микросферы, с большой степенью уверенности можно говорить о наличии оптических свойств, характерных для фотонных кристаллов, автор сосредоточил свои усилия на поисках технических решений, применение которых позволило бы использовать «жидкие теплоизолирующие покрытия» с максимально возможной эффективностью именно в качестве теплоизолирующих материалов, а не того, что способствует заметному увеличению тепловых потерь или интенсификации нагрева при наличии источника инфракрасного излучения.
Как уже упоминалось в ходе данной статьи, в случае «жидких теплоизолирующих покрытий» не следует рассчитывать на достаточно регулярную укладку микросфер, что характерно для идеального фотонного кристалла. Дополнительно следует отметить, что физики из Стэнфордского университета использовали фотонные кристаллы для блокирования инфракрасного излучения в вакууме, по этой причине такого феноменального результата, какой был получен при использовании фотонных кристаллов в Стэнфорде от «жидких теплоизолирующих покрытий» при использовании, например, на трубопроводах ожидать не приходится. Несмотря на не слишком благоприятный прогноз в смысле величины ожидаемого эффекта, автором была предпринята попытка увеличения эффективности «жидких теплоизолирующих покрытий» с точки зрения представлений о свойствах фотонных кристаллов.