Jendela Cair Inspirasi Hemat Energi dari Kulit Cumi
Terinspirasi oleh kulit organisme yang berubah warna secara dinamis seperti cumi-cumi, para peneliti Universitas Toronto telah mengembangkan sistem fluidik berlapis-lapis yang dapat mengurangi biaya energi untuk memanaskan, mendinginkan, dan menerangi bangunan.
Platform, yang mengoptimalkan panjang gelombang, intensitas, dan dispersi cahaya yang ditransmisikan melalui jendela, menawarkan kontrol yang jauh lebih besar daripada teknologi yang ada sambil menjaga biaya tetap rendah karena penggunaan komponen yang sederhana dan siap pakai.
"Bangunan menggunakan banyak energi untuk memanaskan, mendinginkan, dan menerangi ruang di dalamnya," kata Raphael Kay, yang baru saja lulus dengan gelar master di bidang teknik mesin dari Fakultas Sains & Teknik Terapan dan penulis utama makalah baru yang diterbitkan dalam jurnal PNAS .
"Jika kita dapat secara strategis mengontrol jumlah, jenis, dan arah energi matahari yang masuk ke gedung kita, kita dapat secara besar-besaran mengurangi jumlah pekerjaan yang kita minta untuk dilakukan oleh pemanas, pendingin, dan lampu."
Saat ini, teknologi bangunan "pintar" tertentu seperti kerai otomatis atau jendela elektrokromik—yang mengubah opasitasnya sebagai respons terhadap arus listrik—dapat digunakan untuk mengontrol jumlah sinar matahari yang masuk ke dalam ruangan. Tetapi Kay mengatakan bahwa sistem ini terbatas: mereka tidak dapat membedakan antara panjang gelombang cahaya yang berbeda, juga tidak dapat mengontrol bagaimana cahaya itu didistribusikan secara spasial.
"Sinar matahari mengandung cahaya tampak, yang memengaruhi iluminasi di dalam gedung—tetapi juga mengandung panjang gelombang tak kasat mata lainnya, seperti cahaya infra merah , yang pada dasarnya dapat kita anggap sebagai panas," katanya.
"Di tengah hari di musim dingin, Anda mungkin ingin memasukkan keduanya—tetapi di tengah hari di musim panas, Anda hanya ingin membiarkan cahaya tampak dan bukan panas. Sistem saat ini biasanya bisa 't lakukan ini—mereka memblokir keduanya atau tidak keduanya. Mereka juga tidak memiliki kemampuan untuk mengarahkan atau menyebarkan cahaya dengan cara yang menguntungkan."
Dikembangkan oleh Kay dan tim yang dipimpin oleh Associate Professor Ben Hatton, sistem ini memanfaatkan kekuatan mikrofluida untuk menawarkan alternatif. Tim tersebut juga termasuk Ph.D. kandidat Charlie Katrycz, baik di departemen ilmu material dan teknik, dan Alstan Jakubiec, asisten profesor di Fakultas Arsitektur, Lanskap, dan Desain John H. Daniels.
Prototipe terdiri dari lembaran plastik datar yang ditembus dengan susunan saluran setebal milimeter tempat cairan dapat dipompa. Pigmen, partikel, atau molekul lain yang disesuaikan dapat dicampur ke dalam cairan untuk mengontrol jenis cahaya yang melewatinya—seperti panjang gelombang tampak versus inframerah-dekat—dan ke arah mana cahaya ini kemudian didistribusikan.
Lembaran ini dapat digabungkan dalam tumpukan multi-lapisan, dengan setiap lapisan bertanggung jawab atas jenis fungsi optik yang berbeda: mengontrol intensitas, menyaring panjang gelombang, atau menyetel hamburan cahaya yang ditransmisikan di dalam ruangan. Dengan menggunakan pompa kecil yang dikontrol secara digital untuk menambah atau menghilangkan cairan dari setiap lapisan, sistem dapat mengoptimalkan transmisi cahaya.
"Ini sederhana dan murah, tetapi juga memungkinkan kontrol kombinatorial yang luar biasa. Kami dapat merancang fasad bangunan dinamis keadaan cair yang pada dasarnya melakukan apa pun yang Anda inginkan dalam hal sifat optiknya," kata Kay.
Pekerjaan dibangun di atas sistem lain yang menggunakan pigmen yang disuntikkan, yang dikembangkan oleh tim yang sama awal tahun ini . Sementara penelitian tersebut mendapat inspirasi dari kemampuan artropoda laut yang mengubah warna, sistem saat ini lebih mirip dengan kulit cumi-cumi yang berlapis-lapis.
Banyak spesies cumi-cumi memiliki kulit yang berisi tumpukan lapisan organ khusus—termasuk kromatofor, yang mengontrol penyerapan cahaya, dan iridofor, yang memengaruhi pantulan dan permainan warna. Elemen-elemen yang dapat dialamatkan secara individual ini bekerja sama untuk menghasilkan perilaku optik unik yang hanya mungkin dilakukan melalui operasi gabungannya.
Sementara para peneliti U of T Engineering berfokus pada prototipe, Jakubiec membuat model komputer terperinci yang menganalisis dampak energi potensial dari menutupi bangunan hipotetis dalam tipe fasad dinamis ini.
Model diinformasikan oleh sifat fisik yang diukur dari prototipe. Tim juga mensimulasikan berbagai algoritme kontrol untuk mengaktifkan atau menonaktifkan lapisan sebagai respons terhadap perubahan kondisi sekitar.
"Jika kami hanya memiliki satu lapisan yang berfokus pada modulasi transmisi cahaya inframerah-dekat—bahkan tidak menyentuh bagian spektrum yang terlihat—kami menemukan bahwa kami dapat menghemat sekitar 25% setiap tahun untuk pemanasan, pendinginan, dan energi pencahayaan melalui energi statis." dasar," kata Kay.
"Jika kita memiliki dua lapisan—inframerah dan tampak—itu lebih seperti 50%. Ini adalah penghematan yang sangat signifikan."
Dalam studi terbaru, algoritme kontrol dirancang oleh manusia, tetapi Hatton menunjukkan bahwa tantangan untuk mengoptimalkannya akan menjadi tugas yang ideal untuk kecerdasan buatan—kemungkinan arah penelitian di masa depan.
"Gagasan tentang bangunan yang dapat belajar—yang dapat menyesuaikan susunan dinamis ini sendiri untuk mengoptimalkan perubahan kondisi matahari musiman dan harian—sangat menarik bagi kami," kata Hatton.
"Kami juga sedang mengerjakan cara untuk meningkatkan ini secara efektif sehingga Anda dapat menutupi seluruh bangunan . Itu akan membutuhkan kerja tetapi mengingat ini semua dapat dilakukan dengan bahan yang sederhana, tidak beracun, dan berbiaya rendah, ini merupakan tantangan yang dapat diselesaikan."
Hatton juga berharap penelitian ini akan mendorong peneliti lain untuk berpikir lebih kreatif tentang cara-cara baru untuk mengelola energi dalam bangunan.
"Secara global, jumlah energi yang dikonsumsi gedung sangat besar—bahkan lebih besar daripada yang kita keluarkan untuk manufaktur atau transportasi," katanya. "Kami pikir membuat material pintar untuk bangunan adalah tantangan yang membutuhkan lebih banyak perhatian."
