Použití nanotechnologií ve fasádách budov

Fasáda predstavuje funkčné oblečenie budovy, akýsi obal domu, jeho obvodovú konštrukciu s povrchovou úpravou. Tak, ako oblečenie chráni ľudské telo, rovnako fasáda chráni vnútornú konštrukciu a prevádzku budovy pred poveternostnými vplyvmi a poškodením. Funkčnosť a estetickosť fasády sú jej dve najzákladnejšie vlastnosti. Estetickosť fasády, zvolené architektonické a farebné riešenie umocňuje jej spolupôsobenie s prostredím a okolitou zástavbou. Funkčnosť fasády súvisí s jej kvalitným konštrukčným a materiálovým riešením, správnym zrealizovaním konštrukčných a architektonických detailov.

Fasada buducnosti musi byť schopna reagovať na vonkajšie prostredie ako pokožka. Jej povrch musi byť vodovzdorny, predsa však priedušny, reagujuci na vonkajšie vplyvy, ako vysoke a nizke teploty zmenou svojich vlastnosti. Taketo fasadne materialy už su skutočnosťou, či už ako ultratenke povrchy odolne proti oderu, ktore umožňuju redukciu vyroby aj spotreby, alebo ako vysokoefektivne izolačne vrstvy, schopne akumulovať tepelnu energiu... prosto nanomaterialy v stavebnictve.

Technológia

Nanotechnologia sa v sučasnosti označuje za kľučovu technologiu 21. storočia. Zaobera sa tvorbou a využivanim technologii v meradle radovo nanometrov (cca. 1 – 100 nm). Pojem „nanotechnologia“ je v sučasnosti často skloňovany najma v medicinskych a biotechnicky zameranych odboroch, predsa však pre mnohych ľudi stale neznamy. Nanotechnologiu čaka sľubna buducnosť, hoci ani minulosť tohto vedneho odboru nie je kratka. V roku 1913 bol vyvinuty mikroskop, ktory umožňoval vidieť častice veľkosti nanometra. Termin „nanotechnologia“ použil v roku 1974 Norio Taniguchi na Univerzite v Tokiu, keď potreboval popisať vyrobne metody s presnosťou menej ako mikrometer (tisicina milimetra). Vyraz „nano“ je odvodeny z greckeho slova „nanos“ a latinskeho „nanus“ a znamena „trpaslik“. Jeden nanometer (nm) je miliontina milimetra a biliontina metra.

Nanočastica nie je viditeľna voľnym okom. Pre lepšie pochopenie proporcia nanometra v porovnani s futbalovou loptou je ako proporcia futbalovej lopty v porovnani s proporciou zemegule. Ľudske nechty rastu rychlosťou 1 nm za sekundu. Jedina kvapka vody rozptylena na plochu 1 m2 vytvori tenučku vrstvu v hrubke približne 1 nm.

Zakladne nanomaterialy sa vmiešavaju do inych surovin – materialov alebo sa nanašaju na ich povrch, aby vytvorili akysi povlak s novymi dokonalejšimi vlastnosťami. Prave takato ich charakteristicka vlastnosť je využiteľna na zdokonalenie vlastnosti fasad.

Aplikacia nanočastic sa može diať konvenčnymi metodami akymi su namačanie alebo nastrek povrchu, alebo využitim technik CVD (chemical vapour deposition – nanašanie parou).

Umožňuju materialom nadobudať nove vlastnosti alebo vytvaraju celkom nove materialy, ktore v oblasti stavebnictva nachadzaju svoje najvačšie uplatnenie prave vo fasadnych systemoch. Predstavuju optimalizaciu jestvujucich materialov a vylepšenie ich stavebnofyzikalnych, statickych či estetickych vlastnosti.

Ekológia a ekonómia

Najkomplexnejšim argumentom pre použivanie nanotechnologii v stavebnictve a architekture je podstatne vyššia energeticka uspornosť. Hoci „nano“ je pre ľudske oko neviditeľne, vysledky uplatnenia v architekture a stavebnictve, v interierovom dizajne su viditeľne aj merateľne.

Využitie nanotechnologii ponuka ekonomicke a ekologicke vyhody (optimalizacia existujucich produktov, ochrana pred poškodenim, redukcia vahy alebo objemu, efektivnejšie využitie materialov, zniženie potreby udržby dlhšim intervalom čistenia, redukcia spotreby surovych materialov a energii, CO2, komfortna manipulacia).

Využitie nanomaterialov v stavebnictve redukuje spotrebu energii na minimum buď priamo alebo nepriamo.

Priama redukcia može byť vyvolana napriklad využitim ultratenkych oderu odolnych povrchov – lakov, ktore umožňuju redukciu vyroby aj spotreby.

Nepriame uspory energie su napriklad dosledkom využitia vysoko efektivnych izolačnych vrstiev, ktore pri ich minimalnej hrubke napomahaju „konzervovať“ energiu a zaroveň sa zaznamena menšia spotreba materialu a redukuju sa prostriedky na dopravu.

Z pohľadu ekonomickeho samočistiace povrchy redukuju zaroveň aj finančne prostriedky, ktore by sa inak museli vynaložiť na čistenie. Z pohľadu ekologie pravidelne čistenie povrchov špecializovanymi čistiacimi prostriedkami znečisťuje aj životne prostredie.

Funkčnosť fasády a nanočastice

Nanopovrchy fasad su odpoveďou stale aktualnej požiadavky na neustale inovacie a zefektivnenie materialov.

Funkčnosť fasady sa odzrkadli aj na usporach energii. Hlavne funkčne vrstvy fasady su tepelnoizolačna a vodoizolačna. Prave tieto funkčne vrstvy možu pri použiti inovativnych nanotechnologii podstatne zlepšiť svoje vlastnosti, čim sa dosiahne vyššia energeticka efektivnosť celej budovy.

Architekti a projektanti su vyzyvani, aby nachadzali inovativne riešenia, ktore by zvyšili energeticku efektivnosť budov prave využivanim materialov a povrchov, ktore použitim nanotechnologii zmenia svoje mechanicke, opticke alebo izolačne vlastnosti.

V našich slovenskych podmienkach sa použitie nanopovrchov pri realizacii fasad obmedzuje skor na mechanicku ochranu povrchov fasad (omietky, obklady), ktora chrani povrchy pred starnutim, mechanickym poškodenim, poveternostnymi vplyvmi. Do tejto kategorie patria aj špecialne nanogely, ktore su integrovane ako transparentna medzivrstva zasklenia s vyššou požiarnou odolnosťou. Použivane su antigraffiti nanovrstvy, dokonca aj pre porezne a priepustne povrchy omietok a obkladov, ktore nadobudnu permanentnu povrchovu upravu, ktora zaroveň znižuje akumulaciu nečistoty.

Zahranična architektonicka scena disponuje realizaciami fasad s nanopovrchmi s čistiacou, optickou alebo špecifickou izolačnou funkciou.

• Samočistiaci povrch fasady s vodoodpudivym efektom listu lekna (Lotus – Effect).

Na hydrofobickych povrchoch s nizkou priľnavosťou sa vodny objem tvaruje do kvapiek, ktore odpadnu z povrchu fasady aj spolu s čiastočkami znečistenia.

Iny druh samočistenia hydrofylickych povrchov je pomocou fotokatalýzy. Požiadavkou fungovania tohto samočistenia je pritomnosť titandioxidu, ktory je aktivovany UV žiarenim, Vyzražanu nečistotu, oddelenu od povrchu materialu – fasady splachne vodny film v podobe zražok. Vysledkom je čisty povrch fasady. Taketo povrchy počas dlhych rokov uživania nevykazuju nijake znamky znečistenia, zašednutia z ovzdušia, čim sa zaroveň redukuju požiadavky na ich udržbu (strešne krytiny, obklady na baze PVC, drevene obklady, keramicke obklady, membrany, sklenene povrchy, natery, maľovky, omietky a pod.).

Ľahko čistiace povrchy – easy-to-clean (ETC) – odpudzuju vodu a nečistotu aj bez použitia lotusoveho efektu. Aplikaciou nanočastic vznikne hydrofobicky (vodoodpudivy) povrch s redukovanou priľnavosťou, ktory odpudzuje vodu a nečistotu (fasadne materialy na baze plastov, keramiky, smaltov, skla...).

System čistenia vzduchom umožňuje redukovať stupeň znečistenia vzduchu v interierovych priestoroch nanovrstvou na povrchoch v interieri (zavesy, zaclony, podhľady, povrchy komunikacie, podlahy v interieroch) rozloženim nečistot a pachov zo vzduchu do zakladnych častic.

• Veľmi špecificku ochrannu funkciu charakterizuju adaptovateľne vrstvy.

Adaptovateľne a inteligentne fasady budov vedia a možu modifikovať svoju transparentnosť podľa svetelnych podmienok v exterieri. V zavislosti od druhu spušťacieho stimulu je zasklenie fotochromaticke, elektrochromaticke, termochromaticke, alebo plynochromaticke. Zaujimave su najma procesy, ktore v zaskleni fasady nastavaju bez elektrickych spinačov a kontrolnych systemov, ktore by riadili tento proces. Je to napriklad termotropicky tieniaci system, ktory prepina medzi čirym a ľahko difuznym stavom podľa okolitej teploty. Pri intenzivnom slnečnom žiareni a vyššej teplote sa zasklenie zmeni na opakove – nepriehľadne. Keď vonkajšia teplota klesne pod referenčny bod, skleny panel sa stane transparentnym. Ide o laminovanu sklenu tabuľu, kde polymerova živična vrstva je vložena medzi dve tabule skla. Nanokomponenty v živičnej vrstve su zodpovedne za spinaci efekt, kde spinačom nie je elektrina.

• Fazovo premenlive materialy (PCMs) su na baze parafinov a soľnych hydratov.

Ak material dosiahne kriticku teplotu (22 °C) fyzikalne skupenstvo sa začne meniť z pevneho na tekute. Pri tejto premene termalna energia z prostredia je stiahnuta a uložena v PCM. Teplota v miestnosti je uchranena pred stupanim a klima je pasivne kontrolovana. Naopak, ak sa teplota zniži pod kriticky bod, proces prebieha opačne. Tekute PCM kryštalizuje spať do pevneho skupenstva. Absorbovana energia je uvoľnena, zohrieva priestor. PCM sa regeneruje na ďalšiu fazu absorpcie energie. Miestnosť sa ohrieva a ochladzuje bez externeho vstupu energie. PCMs su s uspechom použite napriklad v realizacii Schwarz Architekten ako celozasklena južna fasada penzionu pre seniorov vo švajčiarskej obci Domat. Mikrokapsulovany PCMs založeny na baze parafinov može byť integrovany do sadrovej omietky alebo sadrokartonu. Ak sa poživa pre interierove upravy pomaha znižiť naklady na vykurovanie. Tepelno-akumulačna schopnosť 2 cm omietky obsahujucej 30 % PCM je ekvivalentna 18 cm betonovej stene alebo 23 cm tehlovej stene a funguje ako latentny akumulator tepla.

• Medzi opticke funkcie povrchov možno zaradiť anti-zahmlievaci efekt (zrkadlove, zasklene povrchy fasad).

Odrazivosť povrchu je možne zvačšiť alebo zmenšiť aplikaciou nanovrstvy. Nerosive povrchy bez zahmlievania funguju na hydrofilickych povrchoch vďaka ultra tenkemu povlaku titan dioxidu, ktory vytvara na povrchu interieroveho alebo exterieroveho obkladu veľke množstva energii, ktore znižuju priťažlivosť vlhkosti (zrkadlove, plastove a sklenene povrchy). Jednym z mnohych sučasnych izolačnych transparentnych materialov je aerogel. Je to priehľadny nanogranulat s extremne vysokym tepelnym odporom, ktorym sa plnia sklenene dutinove panely.

Všetky spominane nanotechnologie su využivane na zlepšenie vlastnosti stavebnych materialov aplikovanych najma na fasadach budov, podporujuc estetiku, ekologiu aj ekonomicku stranku tychto vizionarskych projektov a umožňujuc ľuďom využivať tieto objekty efektivne a v prislušnom komforte.  

Ing. arch. Ľubica Selcová, PhD.,Fakulta architektúry STU Bratislava

Recenzent:doc. Ing. arch. Ján Ilkovič, PhD.,Fakulta architektúry STU Bratislava

Foto: archív autorky

Literatúra:[1]Leydecker, Sylvia: Nanomaterials in Architectur, Interior Architecture and Design, 2008, Birkhäuser Verlag AG, Basel-Boston-Berlin[2] Florián, Miloš: Inteligentní skleněné fasády, 2005, Vydavatelství ČVUT, Praha[3]Sauer, Christiane: Made Of...New Materials Sourcebook for Architecture and Design, Gestalten, 2é10, ISBN 978-3-89955-289-8[4]http://www.buildinggreen.com

Obsah časopisu Eurostav 04/2012 zde