Insinyur Universitas Drexel telah mengembangkan material berbasis semen baru yang menggabungkan teknologi perubahan fase untuk meningkatkan efisiensi energi bangunan, terinspirasi oleh pengaturan suhu alami yang ditemukan di telinga gajah.
Para peneliti di Universitas Drexel telah memperkenalkan material bangunan berbasis semen inovatif yang dirancang untuk meningkatkan efisiensi energi melalui mekanisme pemanasan dan pendinginan pasif yang inovatif. Terobosan ini, yang terinspirasi oleh sistem pengaturan suhu alami yang efektif yang diamati pada telinga gajah dan kelinci, dapat merevolusi desain bangunan dengan menanamkan jaringan pembuluh darah di dalam dinding, lantai, dan langit-langit, sehingga mengurangi konsumsi energi secara signifikan.
Penelitian tersebut, diterbitkan Dalam Jurnal Teknik Bangunan, ditampilkan sebuah metode baru yang dirancang oleh Lab Material Infrastruktur Lanjutan (AIM) Drexel. Metode ini melibatkan pengintegrasian material pengubah fase (PCM) berbasis parafin ke dalam matriks polimer cetak di dalam permukaan semen.
PCM memiliki kemampuan unik untuk menyerap dan melepaskan energi panas saat bertransisi antara keadaan cair dan padat, yang secara efektif mengatur suhu permukaan.
"Secara arsitektur, memiliki banyak jendela pada sebuah bangunan memang terlihat bagus, tetapi hal ini juga mengakibatkan berkurangnya sifat insulasi," ujar rekan penulis Rhythm Osan, mahasiswa S1 di Fakultas Teknik Drexel, dalam sebuah rilis berita. "Dalam dunia yang ideal, sebuah bangunan tidak akan kehilangan panas, tetapi dari sudut pandang konstruksi yang realistis, masalah seperti jembatan termal, kebocoran udara dari saluran, kinerja material, dan detail sambungan akan selalu menyebabkan hilangnya panas."
Pendekatan inovatif tim ini bertujuan untuk mengimbangi permintaan energi yang besar dari bangunan, yang mencakup hampir 40% dari seluruh penggunaan energi secara global, dengan sekitar setengah dari energi tersebut dihabiskan untuk mempertahankan suhu dalam ruangan yang nyaman.
Khususnya, permukaan seperti dinding, jendela, dan langit-langit bertanggung jawab atas sekitar 63% kehilangan energi dalam bangunan, yang menjadikan solusi tim Drexel berpotensi transformatif.
"Lihatlah bagaimana sistem peredaran darah kita digunakan untuk mengatur suhu. Saat cuaca panas, darah mengalir ke permukaan — wajah kita mungkin sedikit memerah dan mulai berkeringat melalui kelenjar kita, dan ini mendinginkan kita melalui proses perubahan fase — penguapan keringat," tambah Amir Farnam, seorang profesor madya di Fakultas Teknik Drexel yang memimpin penelitian ini. "Ini adalah proses alami yang sangat efektif yang ingin kami tiru dalam material bangunan."
Penelitian ini menguji berbagai konfigurasi dan ketebalan saluran vaskular untuk menentukan desain optimal untuk kekuatan mekanis dan kinerja termal.
Arsitektur saluran kisi berbentuk berlian muncul sebagai yang paling efektif, menawarkan integritas struktural dan pengaturan suhu yang unggul, memperlambat pemanasan dan pendinginan permukaan hingga 1-1.25 derajat Celsius per jam.
"Kami menemukan, mungkin tidak mengherankan, bahwa luas permukaan vaskular yang lebih besar setara dengan kinerja termal yang lebih baik. Pengamatan ini serupa dengan fisiologi telinga gajah dan kelinci, yang memiliki area vaskular yang luas untuk membantu mengatur suhu tubuh mereka," tambah rekan penulis Robin Deb, seorang ilmuwan peneliti di Lab AIM. "Kami yakin bahwa material vaskular kami dapat memainkan peran serupa di dalam gedung dengan membantu mengimbangi perubahan suhu dan mengurangi kebutuhan energi dari HVAC untuk menjaga kenyamanan termal."
Meskipun studi ini berfungsi sebagai bukti konsep, hasil tim yang menjanjikan membuka jalan bagi eksplorasi lebih lanjut. Penelitian selanjutnya akan melibatkan pengujian berbagai PCM, pola kanal, dan sampel material yang lebih besar dalam periode yang lebih panjang dan kondisi lingkungan yang bervariasi.
"Meskipun studi ini dimaksudkan untuk menunjukkan bukti konsep, hasilnya menjanjikan dan dapat kita kembangkan," tambah Farnam. "Ini menunjukkan efektivitas metode ini dalam mengatur suhu permukaan pada material semen, serta metode yang sederhana dan hemat biaya untuk memproduksinya. Dengan pengujian dan penskalaan tambahan, kami yakin ini berpotensi memberikan kontribusi yang signifikan terhadap berbagai upaya yang sedang berlangsung untuk meningkatkan efisiensi energi bangunan."
Inovasi ini menjanjikan akan membuat struktur bangunan lebih mandiri dalam pengendalian suhu, mengurangi ketergantungan pada sumber energi eksternal, dan secara signifikan mengurangi emisi gas rumah kaca.
Sumber: Drexel University