Многоуровневые гибридные композиты из эритрита/диатомита/ГНП для улучшенного накопления тепловой энергии: эксперимент и оптимизация с помощью машинного обучения

Накопление тепла на случай, когда оно понадобится

Современная жизнь всё больше зависит от источников энергии, таких как солнце, которые не всегда дают энергию тогда, когда она нужна. Один из способов сгладить эти колебания — накапливать тепло, когда оно в избытке, и отдавать его позже. В этом исследовании рассматривается новый подход к созданию твердых блоков, способных поглощать большие количества тепла, сохранять форму при частичном плавлении и затем возвращать это тепло по требованию, помогая зданиям и устройствам более эффективно использовать энергию.

«Сладкий» материал с скрытыми ограничениями

В основе работы лежит эритритол, знакомый подсластитель, который также отлично накапливает тепловую энергию при плавлении и кристаллизации. При переходе из твердого состояния в жидкое он поглощает много энергии, а при застывании вновь отдаёт её. Это делает его привлекательным для систем накопления тепла при умеренных температурах — например, для солнечного нагрева воды или климат-контроля в зданиях. Однако чистый эритритол плохо проводит тепло и склонен к протеканию при плавлении, поэтому его нельзя просто залить в резервуар и рассчитывать на стабильную работу.

Преобразование порошка и пластинок в твёрдую губку

Чтобы усмирить слабые стороны эритритола, команда создала некий минеральный «губчатый» каркас. В качестве него использовали диатомит — природную сильно пористую породу, образованную из останков микроскопических водорослей. Его крошечные каналы служат жестким каркасом, способным впитывать расплавленный эритритол и удерживать его на месте. В условиях вакуума исследователи втягивали жидкий сахарный спирт в поры диатомита, а затем давали смеси затвердеть в виде монолитов. Испытания показали, что повышенное содержание диатомита значительно улучшает стабильность формы при высоких температурах, снижая потерю массы при нагреве с нескольких процентов до чуть более одного процента, хотя добавка минерала также уменьшала количество тепла, которое может храниться на грамм материала.

Графеновые пути для более быстрого переноса тепла

Хорошее накопление недостаточно, если тепло не может быстро входить и выходить. Для ускорения теплопереноса команда добавила тонкие листы углерода — графеновые нанопластинки, известные своей высокой теплопроводностью. Снимки с помощью растрового электронного микроскопа показали тонкие пластинчатые вкрапления, равномерно распределённые в смеси диатомита и эритритола, образующие непрерывные пути, облегчающие перемещение тепла по материалу. При всего 4 процентах графена по массе и 40 процентах диатомита теплопроводность композита увеличилась примерно на 261 процент по сравнению с чистым эритритолом, достигнув значений, характерных для инженерных твердых тел, при этом материал оставался нетекучим при плавлении.

Доверяя алгоритмам подбор рецептуры

Поскольку больше минерала и больше графена не всегда дают лучший результат, авторы обратились к компьютерному моделированию в поисках оптимальной рецептуры. Они построили два типа моделей: статистическую модель, аппроксимирующую искривлённую поверхность через данные, и простую искусственную нейронную сеть, имитирующую, как комбинации входных величин влияют на выход. Используя измерения для 27 различных смесей, обе модели изучили, как доли графена и диатомита влияют на теплопроводность, и обе смогли с высокой точностью предсказывать свойства новых составов. Это позволило исследователям очертить практический диапазон композиций, балансирующий быстрый перенос тепла, хорошую ёмкость хранения и малый вес.

Почему это важно для повседневного энергопользования

В результате получена серия твёрдых, нетекучих блоков, которые могут хранить большие количества тепла при среднетемпературных режимах и при этом гораздо быстрее передавать это тепло по сравнению с исходным материалом. Проще говоря, исследование показывает, как соединение сахароподобного соединения, пористого природного минерала и углеродных пластинок с настройкой с помощью машинного обучения позволяет создавать более умные тепловые «батареи». Такие материалы можно интегрировать в солнечные нагреватели, стены зданий или термотанки для накопления тепла, когда светит солнце, и его последующего высвобождения, что поможет сделать будущие энергетические системы более стабильными и эффективными.

Цитирование: Nassar, A., Nassar, E., Rivilla, I. et al. Multi-scale hybrid composites of erythritol/diatomite/GNP for enhanced thermal energy storage: experimental and machine learning optimization. Sci Rep 16, 15458 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-41825-4

Ключевые слова: накопление тепловой энергии, материалы с фазовым переходом, композит на основе эритрита, графеновые нанопластинки, оптимизация с помощью машинного обучения