Почему полярник даже в современном теплоизолированном помещении вынужден находиться в теплой одежде, а белый медведь, который разгуливает по морозу весь день, совсем не мерзнет? Ведь мех у него тонкий — всего-то пять сантиметров в толщину! Недавно ученые нашли ответ на этот вопрос — оказывается, дело не в толщине теплоизолятора, а в его структуре.
Следует заметить, что вопрос о том, почему белые медведи, имея достаточно маленький теплоизолирующий слой (их мех не столь густ и плотен), тем не менее спокойно выдерживают арктические температуры, беспокоил ученых давно. И дело тут явно не в обильной жировой прослойке под кожей — к концу зимы у медведя ее практически совсем не остается, но зверь при этом даже не думает мерзнуть. Скорее всего, дело в каких-то не совсем пока понятных людям принципах теплоизоляции, изучив которые, мы смогли бы создать такое вещество, самый тонкий слой которого смог бы спасти нас даже в наиболее лютые холода.
И вот недавно группа ученых из Бельгии и Марокко во главе с Присциллой Симонис, представляющей Намюрский университет (Бельгия), решили попробовать разгадать эту загадку природы. Сначала исследователи провели ряд экспериментов, в результате которых выяснили, что постоянная температура медведей не падает даже при долгих зимах с минус 40 градусами по Цельсию. И это при толщине меха всего-то пять сантиметров! Представить себе, что подобная тонкая шерстяная верхняя одежда сможет так же эффективно противостоять холодам, практически невозможно. И теплоизоляторы, используемые при строительстве домов, — тоже.
Читайте также: "Дышашие дома" сэкономят электроэнергию
"Почему нам нужно как минимум 60 сантиметров минваты или стекловаты для того, чтобы поддерживать 20 градусов при температурах около мину пяти? И почему мех полярного медведя лучше, чем то, что мы разрабатываем для утепления домов?" — патетически спрашивает доктор Симонис, ведущий автор исследования.
При этом она добавляет, что слой теплоизолятора толщиной в 60 сантиметров по периметру — в большинстве случаев совершенно невообразимая цифра, которая на практике для тех же стен редко выполняется, обычно слой удерживающего тепло вещества намного толще.
Для того чтобы разгадать загадку меха белого медведя, ученые начали с азов: они вспомнили, как именно тепло может покидать какое-либо тело. Известны два способа замерзнуть:
Считалось, что при последнем способе уходит больше тепла, поэтому стандартный способ воспроизведения природных утепляющих материалов в процессе эволюции учитывает в основном его. Именно поэтому в шерстяном и перьевом покрове много воздушных полостей. Благодаря их наличию
твердого тела (а организм можно приравнять к таковому) будут отдавать тепло намного более разреженному воздуху, отчего теплопотери сильно затруднятся. На основе этого же принципа человек создал и искусственные утеплители из
Однако исследователи из группы доктора Симонис предположили, что, возможно, традиционные модели не точны потому, что они недооценивают значимость радиационного способа потери тепла. И для того чтобы доказать это предположение, они сами смоделировали процесс теплопереноса радиацией в условиях, препятствующих распространению ИК-излучения, пытаясь при этом воспроизвести реальную ситуацию с мехом животных, в котором отдельные волокна не дают свободно удаляться инфракрасным электромагнитным волнам от тела в окружающее пространство (то есть являются своеобразными "ловушками ИК-излучения").
В результате выяснилось, что когда при построении такой модели использовались защитные слои с поглощением, характерным для черного тела, эффективность меха была сравнительно невысокой. Сделав же защитные слои светлыми, удалось добиться резкого падения переноса тепла. В целом, построенная исследователями 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.
По мнению доктора Симониус, есть большая вероятность того, что на самом деле такой механизм в теплоизолирующих свойствах меха и перьев может быть важнее, чем блокировка других путей теплопереноса. И именно поэтому его развитие и было поддержано эволюцией у тех живых существ, которые постоянно обитают в очень прохладных местах нашей планеты. Кроме того, такая 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 еще и эффективный камуфляж.
Читайте также: Муха подсказала идею скафандра
Ну, а раз это сделала природа, то и людям следовало бы применить подобный способ создания утепляющих материалов в своем быту — например, включить в состав обычных теплоизоляторов необычные многослойные компоненты с высокой отражающей способностью (это могут быть некоторые металлы). Ну, а лучшей формой для таких утеплителей может оказаться как раз "меховая" структура, где вместо разнесенных слоев будут использованы различные нитевидные образования. С помощью таких ультратонких искусственных материалов можно будет добиться куда более эффективной теплоизоляции, нежели та, что обеспечивают пенопласты и стекловата…