MOCHI – läpinäkyvä ikkunaeriste energiatehokkuuteen koteihin

Ikkunat tuovat valoa ja näkymiä, mutta ne ovat myös yksi tärkeimmistä lämmönhukkaan ja -lisään rakennuksissa vaikuttavista tekijöistä. Coloradon yliopiston Boulderissa (University of Colorado Boulder) työskentelevät tutkijat ovat kehittäneet lähes läpinäkyvän eristemateriaalin nimeltä MOCHI, joka hidastaa lämmönsiirtoa lasin läpi ilman, että valo estyisi — potentiaalisesti muuttamalla tapaa, jolla lämmitystä, jäähdytystä ja energiatehokasta suunnittelua toteutetaan.

Mikä on MOCHI ja miksi se on merkittävä

MOCHI tulee sanoista Mesoporous Optically Clear Heat Insulator. Kyseessä on silikonipohjainen geeli, joka on suunniteltu sisältämään laajan verkoston mikroskooppisia ilmakanavia — niin hienorakenteisia, että ilma muodostaa yli 90 % materiaalin tilavuudesta. Tällainen sisäinen arkkitehtuuri antaa MOCHIlle harvinaisen yhdistelmän kahta ominaisuutta: erinomaista lämmöneristystä ja korkea optinen läpinäkyvyys.

Keskeinen etu on visuaalinen: toisin kuin monet eristemateriaalit, jotka hajottavat valoa ja sumentavat näkymiä, MOCHI läpäisee lähes kaiken näkyvän valon ja heijastaa vain noin 0,2 % sisääntulevasta valosta. Rakennusten omistajille ja suunnittelijoille tämä tarkoittaa, että ikkunoihin voidaan lisätä lisäeristystä ilman, että päivänvalo, auringonäkymät tai visuaalinen yhteys ulkotilaan kärsivät. Läpinäkyvä eristys voi näin tukea sekä energiansäästöä että hyvinvointia sisätiloissa.

Abram Fluckiger pitää kädessään näytepanelin neliötä, joka sisältää viisi päällekkäistä kerrosta uudesta lähes läpinäkyvästä eristemateriaalista MOCHIsta. Materiaali on suunniteltu CU Boulderin tutkijoiden johdolla fysiikan professorin Ivan Smalyukh'n laboratoriossa.

Kuinka materiaali valmistetaan ja miten se estää lämpöä

MOCHIn toiminnan ytimessä on huokoskokojen ja -järjestyksen tarkka ohjaus. Tutkimusryhmä käyttää pintak-activeaineita eli tensidejä nestemäisessä liuoksessa muodostamaan lankamaisia malleja. Silikonimolekyylit kerrostuvat näiden lankojen pinnalle, minkä jälkeen tensidi poistetaan ja sen tilalle jää ilma. Lopputuloksena syntyy monimutkainen silikoniranka, jossa on erittäin pieniä, ilmaa täynnä olevia kanavia. Professorin Smalyukh'n kuvaus jäljelle jääneestä kanavaverkostosta oli kuvaava: "putkimiehen painajainen".

Nämä hyvin pienet kanavat asettavat kaasun olosuhteeseen, jota fysiikassa kutsutaan mesohuokoiseksi regimeksi: huokosten koko on verrattavissa tai pienempi kuin ilman molekyylien keskimääräinen vapaa matka (mean free path). Tällöin kaasu ei enää siirrä energiaa pitkien törmäysten kautta, vaan molekyylit kohtaavat toistuvasti huokosten seinämiä. Tämä rajoittaa konduktiivista lämmönsiirtoa samalla periaatteella kuin kevyet aerogeelit — mutta yksi merkittävä ero on se, että MOCHIn rakenne on suunniteltu minimoimaan valon sironta, mikä säilyttää erinomaisen läpinäkyvyyden.

Erityisen havainnollistava esimerkki materiaalin eristyskyvystä on se, että tiimi raportoi 5 mm paksun MOCHI-levyn kestävän liekkiä ilman, että toiselle puolelle muodostuisi polttavia lämpötiloja. Tämä dramaattinen kokeilu korostaa, kuinka tehokkaasti korkeasti huokoinen ja tarkkaan suunniteltu materiaali voi hidastaa lämmönvirtausta. Tällaiset ominaisuudet tekevät MOCHIlta lupaavan tekniikan ikkunaeristykseen, läpinäkyviin eristeisiin ja muihin sovelluksiin, joissa lämmönhallinta ja näkyvyys ovat yhtä aikaa tärkeitä.

Shakshi Bhardwaj esittelee erikokoisia paloja uudesta lähes läpinäkyvästä eristemateriaalista MOCHIsta, jonka CU Boulderin tutkijat kehittivät professorin Ivan Smalyukh'n laboratoriossa.

Ikkunat, rakennukset ja ongelman mittakaava

Rakennukset kuluttavat arviolta noin 40 % maailman energiantuotannosta, ja huomattava osa tästä energiasta vaihtuu ikkunoiden kautta. Talvella lämmin sisäilma karkaa; kesällä auringonvalo ja ulkolämpö päästävät suorastaan kuumuutta sisään lasin kautta. Perinteisiä strategioita vaihtovirran vähentämiseksi ovat kaksin- tai kolminkertaiset lasitukset, alhaisen emissiivisyyden (low-e) pinnoitteet sekä eristetyt ikkunakehykset — kaikki toimivat jossain määrin, mutta rajoituksia voivat asettaa kustannukset, paino tai vähentynyt päivänvalo.

MOCHI pyrkii paikkaamaan tämän aukon tarjoamalla sisäpuolelle asennettavan paneelin tai ohuen levyn, jonka voi kiinnittää olemassa oleviin ikkunoihin lisälämmöneristykseksi säilyttäen samanaikaisesti läpinäkyvyyden. Skaalautuessaan tällainen ratkaisu voisi vähentää lämmitys- ja jäähdytystarvetta sekä asuin- että liikekiinteistöissä, laskea energiakustannuksia ja pienentää hiilidioksidipäästöjä ilman, että päivänvalo tai näkymät kärsivät. Ikkunaeristys, joka ei heikennä luonnonvaloa, tukee myös rakennusten sisäilman laatua ja asukkaiden hyvinvointia.

Lisäksi MOCHIn kaltaisen läpinäkyvän eristeen käyttöönotto voi muuttaa retrofit-markkinoita: korvaamisen sijaan ikkunoihin voitaisiin lisätä lisäkerros helposti asennettavalla kalvolla tai paneelilla. Tämä avaa mahdollisuuksia nopeisiin energiaremontteihin ja vähentää tarvetta kokonaisvaltaisille vaihtotoimille, jotka usein ovat kalliita ja häiritsevät tilankäyttöä.

Eldho Abraham (vas.) ja Taewoo Lee (oik.) esittelevät uuden MOCHI-ikkunaeristeen, joka on kiinnitetty ohuelle muovilevylle. Materiaali on kehitetty CU Boulderin tutkijoiden ja professori Ivan Smalyukh'n johdolla.

MOCHI verrattuna aerogeeleihin ja muihin eristeisiin

Aerogeelit ovat tunnetuimpia erittäin kevyitä eristeitä ja niitä käytetään erikoissovelluksissa, kuten NASA:n avaruusrakenteissa. Kuitenkin aerogeelit näyttävät usein hieman sameilta, koska niiden huokoset sironnat näkyvää valoa. CU Boulderin tiimi suunnitteli MOCHIn huokosrakenteen tietoisesti vähentämään sirontaa, saavuttaen kirkkauden, joka on lähempänä perinteistä lasia, säilyttäen samalla lämmöneristysominaisuuksia, jotka muistuttavat edistyneitä huokoisia eristeitä.

MOCHIn materiaalikemia — silikonigeelin runko — tuo myös käytännön etuja: raaka-aineet ovat suhteellisen edullisia, ja tuotteen voi valmistaa joko ohuina kalvoina tai paksumpina paneeleina eri käyttötarkoituksiin. Tämä tarjoaa joustavuutta tuotesuunnittelussa, sillä eri ikkuna- ja julkisivuvaatimuksiin voidaan sovittaa eri paksuuksia ja kokoonpanoja. Toisaalta nykyinen valmistusprosessi on hidasta ja vaatii tarkkaa laboratoriatyötä, joten tutkimusartikkelin tekijät korostavat, että tuotannon skaalaaminen ja valmistusprosessin yksinkertaistaminen ovat ratkaisevia, jotta MOCHI voi tulla markkinoille laajemmin.

Teknisesti MOCHI yhdistää materiaalitieteen, pintakemiikan ja optiikan suunnittelun: huokoskoon säätely mikro- ja mesoskaalassa, pinnan kemiakorjaus valon sironnan minimointiin ja silikoniverkon mekaaninen vahvistaminen säilyttävät sekä läpinäkyvyyden että sopivan kestävyyden. Näiden parametrien yhteensovittaminen on avainasemassa, kun mietitään pitkäikäisyyttä, käsiteltävyyttä ja asennettavuutta rakennusolosuhteissa.

Mahdolliset sovellukset ikkunoiden ulkopuolella

Vaikka ikkunat ovat ilmeisin kohde, MOCHIn yhdistelmä läpinäkyvyyttä ja lämmöneristystä avaa monia muita käyttömahdollisuuksia. Tutkijat ehdottavat sovelluksia, jotka hyödyntävät tai hallitsevat aurinkoenergiaa: läpinäkyvät lämpökeräimet, eristetyt kattoluukut (skylightit) tai ikkunalle asennettavat järjestelmät, jotka keräävät auringonvaloa ja muuttavat osan siitä lämmöksi esimerkiksi veden tai tilan lämmitystä varten. Pilvisissä olosuhteissa osittainen aurinkohankinta yhdistettynä parempaan eristykseen voi silti tuottaa mitattavia energiansäästöjä.

Lisäksi MOCHIn käyttöalueeksi mainitaan elektroniikkakotelot, optiset instrumentit ja muut kohteet, joissa läpinäkyvä lämmöneriste on hyödyllinen. Koska MOCHI heijastaa vain hyvin pienen osan näkyvästä valosta, se voitaisiin integroida julkisivu- ja jälkiasennustuotteisiin ilman, että rakennuksen ulkonäkö muuttuisi merkittävästi. Tällainen monikäyttöisyys tekee MOCHIstakin kiinnostavan ratkaisun esimerkiksi aurinkopaneelien komponentteihin, valonohjaukseen ja älylasiratkaisuihin.

Haasteet kaupallistamisen tiellä

Vaikka laboratoriotulokset ovat lupaavia, matkaa kaupallistamiseen riittää. Nykyinen synteesiprosessi on aikaa vievää ja optimoitu pienille näytteille; pitkäaikaista kestävyyttä ja UV-stabiilisuutta todellisissa sääolosuhteissa on testattava; sekä valmistusprosesseja on sovitettava isoille pinta-aloille kustannustehokkaaseen tuotantoon. Lisäksi asennettavuus, liitettävyys olemassa oleviin karmijärjestelmiin ja paloturvallisuusvaatimukset on määriteltävä ja hyväksyttävä rakennusmääräysten mukaisesti.

Siitä huolimatta tutkimusryhmä on optimistinen: prosessien yksinkertaistaminen sekä roll-to-roll- tai valettava tuotantotekniikka voisivat ajan myötä tehdä MOCHIstä käytännöllisen jälkiasennusratkaisun tai tehdasvalmiin vaihtoehdon. Taloudellinen analyysi, elinkaarivaikutusten arviointi ja säänkestävyyden varmistaminen ovat seuraavia askeleita ennen laajempaa käyttöönottoa. Kun nämä haasteet ratkaistaan, MOCHI voi tarjota uudenlaisen työkalun ikkunaeristykseen ja energiatehokkaaseen rakentamiseen.

Asiantuntijan näkökulma

"MOCHI osoittaa, miten mikrostruktuurin suunnittelu voi sovittaa kaksi kilpailevaa vaatimusta — optisen läpinäkyvyyden ja lämmöneristyksen," sanoo tohtori Maya Ortega, materiaalitieteilijä, joka tutkii huokoisia eristeitä (kuvitteellinen asiantuntija). "Jos tiimi pystyy siirtämään laboratoriomenetelmät jatkuvaan teolliseen valmistukseen, tämä voi muuttaa pelin jälkiasennusstrategioissa niin olemassa olevissa rakennuksissa kuin uudisrakentamisessakin. Avainkysymykset liittyvät kestävyyteen ja kustannuksiin skaalassa."

Ivan Smalyukh, artikkelin pääkirjoittaja ja fysiikan professori CU Boulderissa, tiivisti tavoitteen yksinkertaisesti: "Tavoitteemme on, että riippumatta ulkolämpötilasta ihmiset voivat pitää sisätilat mukavina ilman energian tuhlausta." MOCHIa käsittelevä artikkeli julkaistiin Science-lehdessä 11. joulukuuta, mikä antaa vertaisarvioidun vahvistuksen konseptin keskeisille periaatteille samalla kun insinööri- ja kaupallistamistyö jää edelleen tehtäväksi.

Tutkijat, rakennusalan ammattilaiset ja energiapolitiikan tekijät seuraavat tarkasti, miten MOCHI etenee vaikuttavasta laboratoriokokeilusta käytännölliseksi tuotteeksi. Jos materiaali ylittää kaupallistamisen haasteet, se voisi mahdollistaa kirkkaammat, energiatehokkaammat ikkunat, jotka säilyttävät näkymät ja päivänvalon — ja samalla vähentävät merkittävästi lämmityksen ja jäähdytyksen energiatarvetta rakennuksissa. Läpinäkyvä eristys voi näin olla avain osa-optimointiin energiatehokkuuden parantamiseksi ilman kompromisseja asumisviihtyvyydessä.