Tháng 09, 2019
Thứ hai
Thứ Tư, ngày 08/01/2020 15:36 PM (GMT+7)

Công nghệ điều hòa tương lai giúp làm mát mà không tốn điện

Sơn, nhựa hay thậm chí là gỗ đều là những vật liệu có thể tạo ra công nghệ điều hòa mới trong tương lai giúp làm mát mà không tốn nhiều điện.

Ở hầu hết các cửa hàng buôn bán, khoản chi phí lớn nhất mà chủ tiệm phải chi trả chính là tiền điện mà trong đó chiếm kha khá là tiền máy lạnh. Thậm chí, có nhiều hàng quán phải đi đến cảnh phá sản chỉ vì tiền điều hòa vượt cao doanh thu của quán.

Không chỉ tốn tiền điện, máy điều hòa cũng gây tốn kém tài nguyên của hành tinh. Đứng trước thực tế này, giới khoa học đã không ngừng tìm ra những công nghệ mới giúp làm mát mà vẫn không tiêu tốn quá nhiều tiền của lẫn tài nguyên.

Công nghệ điều hòa tương lai giúp làm mát mà không tốn điện - 1

Máy điều hòa làm mát trong một không gian nhưng thật ra đang khiến hành tinh trở nên nóng hơn. Ảnh: SES.

Doanh nhân Howard Bisla trong một lần người bạn của ông “cầu cứu” kéo cửa hàng của người này khỏi cảnh đóng cửa vì tiền máy lạnh quá cao, đã lắp đặt một hệ thống làm mát bằng nhôm. Cụ thể, những tấm nhôm sau khi đặt trên mái đã khiến bên trong cửa hàng luôn mát mẻ dẫu bên ngoài nóng đến cỡ nào đi nữa.

“Hóa đơn tiền điện mỗi tháng giảm đi khoảng 15%, không những thế nhiệt độ bên trong quán luôn được duy trì mát mẻ dù bên ngoài là những ngày nắng nóng đỉnh điểm”, Bisla cho biết. Tấm chống nóng mà Bisla dùng là sản phẩm nghiên cứu của Đại học Stanford tại California.

Công nghệ điều hòa tương lai giúp làm mát mà không tốn điện - 2

Những tấm vật liệu điều hòa trên mái một cửa hàng ở Sacramento, California. Ảnh: Aaswath Pattabhi Raman.

Năm 2014, các nhà nghiên cứu ở đây đã cho ra mắt tấm vật liệu dùng trong xây dựng nhằm tạo ra môi trường bên trong của nó luôn được điều hòa dù đứng trực tiếp dưới ánh nắng Mặt Trời. Kể từ đó, các dòng sản phẩm tiếp theo với nhiều cải tiến đã liên tục được ra đời nhằm đáp ứng nhu cầu thị trường.

Phản nhiệt vào không gian

Nhóm nghiên cứu ở Đại học Stanford gồm các thành viên Shanhui Fan và Aaswath Raman đã lập công ty khởi nghiệp lấy tên SkyCool Systems với dòng sản phẩm chính là tấm điều hòa mà doanh nhân Bisla sử dụng. Nguyên lý hoạt động cơ bản nhất của các tấm vật liệu này là phản nhiệt vào không gian.

Con người, động vật, các tòa nhà hay nói chung là mọi vật trên hành tinh này đều tỏa nhiệt. Bầu khí quyển của Trái Đất lại hấp thụ lấy lượng nhiệt đó và “gửi trả” ngược về. Tuy vậy, các tia hồng ngoại có bước sóng từ 8 đến 13 micromet không bị khí quyển giữ lại mà đi thẳng ra ngoài không gian và đi vào vũ trụ lạnh lẽo.

Công nghệ điều hòa tương lai giúp làm mát mà không tốn điện - 3

Hình ảnh chụp qua bước sóng hồng ngoại cho thấy một tấm vật liệu làm mát tại Đại học Columbia, New York đang làm rất tốt việc của mình trong khi xung quanh nhiệt độ đang ở mức rất cao. Ảnh: Jyotirmoy Mandal.

Mãi cho đến những năm 1960, các nhà khoa học mới bắt đầu tìm các khai thác hiện tượng này để áp dụng chúng vào thực tiễn. Tuy vậy, phương thức này hay gọi đúng là làm mát bức xạ thụ động, chỉ có thể thực hiện vào ban đêm. Vào ban ngày, Mặt Trời gửi nhiệt xuống mặt đất nhiều hơn so với lượng nhiệt ta gửi đi vào không gian.

SkyCool Systems đã phát triển hơn dựa trên những gì có sẵn. Trước đây, gương và sơn trắng có thể giúp thoát nhiệt theo kiểu đó. Nhưng giờ đây, nhóm nghiên cứu tiến hành thử nghiệm các loại vật chất khác giúp nhiệt được gửi đi nhiều hơn trong bước sóng hồng ngoại 8 đến 13 µm.

Các loại vật liệu mới được sử dụng có thể đẩy nhiệt thẳng ra ngoài khôn gian nhiều hơn và không bị khí quyển Trái Đất hấp thụ lại. Qua thực tế, nhiệt độ bên trong nhà có thể chênh lệch đến 10 độ C so với nhiệt độ ngoài trời, đặc biệt là ở những nơi có khí hậu khô, nóng.

Bất chấp những lý thuyết

Nhiều nhà khoa học khác tỏ ra thận trọng với ý tưởng này, bởi theo họ thực tế nó cũng không quá hiệu quả như trên lý thuyết, cũng như tại những nơi khác nhau tính hiệu quả của vật chất sẽ khác nhau hay thậm chí là không phát huy tác dụng do trở ngại về khí hậu.

Năm 2012, Aaswath Raman lúc này đang bảo vệ tiến sĩ lấy đề tài nghiên cứu về các vật liệu khai thác được năng lượng Mặt Trời, đã nhận ra làm mát bức xạ thụ động là một phương thức đầy hứa hẹn mà không ai tính đến thời điểm đó có thể phát hiện và khai thác nó một cách triệt để.

Công nghệ điều hòa tương lai giúp làm mát mà không tốn điện - 4

Những khối cầu thủy tinh có kích thước nhỏ cùng nhau tạo nên một tấm phản nhiệt. Đồ họa: Yao Zhai et al./Science.

Raman phân tích tính chất quang học của các vật liệu dễ tìm trong thường nhật, thấy được rằng nhiều loại vật chất có thể phản xạ lại phổ Mặt Trời ở bước sóng từ 200 nanomet đến 2,5 micromet, đây là con số ấn tượng hơn rất nhiều so với sơn trắng vốn được dùng từ xưa đến nay cho kết quả phản xạ 94% lượng nhiệt.

Để các vật liệu tìm thấy có thể phản nhiệt tốt hơn nữa hay thậm chí là gửi lại 100% lượng nhiệt nhận được vào không gian, Raman cùng nhóm của mình bắt đầu tiến hành cải tiến vật chất ở cấp độ nano siêu nhỏ. Anh cho rằng, nếu tùy chỉnh vật chất ở cấp độ nhỏ hơn sẽ giúp bước sóng ánh sáng đi qua chúng tốt và từ đó phản xạ nhiều hơn.

Công nghệ điều hòa tương lai giúp làm mát mà không tốn điện - 5

Một khối gỗ tự nhiên (trái) và khối gỗ đã qua xử lý để tạo thành vật chất phản nhiệt. Ảnh: Liangbing Hu, InventWood.

Năm 2013, nhóm tiến hành hiện thực hóa sáng chế trên giấy rồi đi gọi tài trợ tại Cơ quan Dự án nghiên cứu cấp tiến Mỹ (ARPA-E). Howard Branz, giám đốc các chương trình khởi nghiệp tại APRA-E đã rất kinh ngạc khi nghe nhóm các bạn trẻ trình bày về ý tưởng này.

“Lúc đó tôi đã rất ngạc nhiên và chỉ muốn ai đó có thể biến ý tưởng này thành sự thật ngay vào lúc đó, tối rất ấn tượng với họ”, Branz kể lại và cho biết cơ quan đã dành ra một khoản trị giá 400.000 USD để Raman cùng nhóm có thể phát triển sâu hơn ý tưởng của mình.

Kết hợp từ những thứ quanh ta

Để tạo ra loại vật liệu phản nhiệt tốt và dễ phân tích cấu trúc nano, nhóm nghiên cứu đã trộn 4 lớp vật chất dày mỏng khác nhau đó là hafnium dioxide và silicon dioxide hoặc thủy tinh. Khi chồng nhiều lớp vật chất lại, sóng ánh sáng sẽ giao thoa khi truyền qua từng lớp.

Để tối ưu hóa hiệu suất, nhóm nghiên cứu đặt 3 lớp vật chất dày trên 1 lớp mỏng nhằm khuếch đại phát xạ hồng ngoại. Sản phẩm vừa ra lò đã được thử nghiệm ngay trong thực tế, cho thấy nhiệt độ bên trong căn nhà dùng làm thí nghiệm mát hơn 5 độ C so với ngoài trời dù lúc đó đang có nắng gắt tương đương 850 watt/mét vuông.

Công nghệ điều hòa tương lai giúp làm mát mà không tốn điện - 6

Nguyên lý của làm mát bức xạ thụ động trong siêu vật liệu làm mát. Đồ họa: Nature.

Thế nhưng để thương mại hóa thì màn kết hợp như trên khó có thể áp dụng vào thực tế được. Hai nghiên cứu sinh Xiaobo Yin và Ronggui Yang đến từ Đại học Colorado Boulder đã đề xuất với nhóm của Raman dùng nhựa và thủy tinh giá rẻ. Những khối cầu thủy tinh mini với kích thước vài micromet hóa ra có thể phản quang rất tốt ở bước sóng từ 8 đến 13 micromet.

Nhúng hỗn hợp mới này vào một lớp polymethylpentene trong suốt dày 50 micromet, độ phản quang lúc này đã đạt đến mức rất cao để có thể tạo thành một vật liệu siêu điều hòa. Quan trọng hơn cả, nhóm nghiên cứu có thể tạo ra 5 mét vật liệu này chỉ trong 5 phút và tiếp tục dây chuyền mà không bị gián đoạn.

Vật liệu siêu điều hòa

Năm 2017, SkyCool Systems bắt đầu thương mại hóa sản phẩm của mình. Họ liên kết với các công ty để thay thế hệ thống điều hòa cũ bằng vật liệu siêu điều hòa của mình. Theo số liệu mà nhóm dự tính, hệ thống làm mát mới có thể làm giảm 21% tiền điện trong mùa khô nóng đỉnh điểm ở Las Vegas. 

Công nghệ điều hòa tương lai giúp làm mát mà không tốn điện - 7

Một mẩu gạc được quét sơn trắng (đoạn bên phải) và nhúng vào dung dịch chuyên dụng (trái) để tạo thành vật liệu làm mát đang so sánh mức độ phản nhiệt của mình dưới trời nắng. Ảnh: Jyotirmoy Mandal.

Hóa ra mọi thứ còn vượt xa hơn cả thế. Tháng 1 năm 2018, sau nửa năm triển khai vào thực tế, sản phẩm của nhóm đã tạo ra những tín hiệu khả quan đầu tiên khi hóa đơn tiền điện tại các tòa nhà áp dụng công nghệ này giảm từ 32% đến 45% so với cùng kì năm trước đó.

Tuy vậy, việc thay đổi hoàn toàn hệ thống máy lạnh cũ lấy vật chất làm mát vẫn gặp nhiều trở ngại. Chẳng hạn như, công nghệ này đòi hỏi phải tác động trực tiếp vào cấu trúc của tòa nhà, nhưng không phải cao ốc nào cũng có thể chỉnh sửa để tích hợp loại vật liệu mới vào.

Ngoài ra, nhiều nơi có bầu không khí không đủ khô. Thời tiết ẩm ướt và có nhiều mây sẽ gây cản trở ít nhiều cho quá trình phản nhiệt, từ đó nhiệt độ trong nhà và ngoài trời sẽ không chênh lệch quá nhiều nếu sử dụng tấm vật liệu này. Đó là chưa kể đến thách thức lớn nhất chính là vật liệu siêu điều hòa hiện chưa đủ khả năng để làm mát vào mùa đông.

Công nghệ điều hòa tương lai giúp làm mát mà không tốn điện - 8

Những tấm siêu làm mát của SkyCool Systems đang "phơi nắng" tại Las Vegas. Ảnh: SkyCool Systems.

Dù sao đi nữa, làm mát bức xạ thụ động vẫn là một công nghệ đầy hứa hẹn cho tương lai khi Trái Đất đang ấm lên qua từng ngày bởi một phần không nhỏ đến từ hệ thống làm mát bằng điện đang sử dụng phổ biến trên khắp thế giới ngày nay. Tính đến thời điểm này, mặc dù khó triển khai vào thực tế nhưng đây vẫn là công nghệ duy nhất khai thác được toàn bộ lượng nhiệt lãng phí và gửi thẳng vào không gian.
Quang Niên (Theo Nature)

Tin đọc nhiều

Công nghệ truyền dữ liệu bằng laser giúp tốc độ internet nhanh hơn 1.000 lần Các nhà khoa học vừa tìm ra cách truyền dữ liệu mới giúp tốc...
Tre Nhật Bản giúp Edison hoàn thiện bóng đèn Sau nhiều tháng nghiên cứu và thử nghiệm, Edison phát hiện...
Một người gốc Việt viết ứng dụng đe doạ riêng tư hàng triệu người Chỉ với một bức ảnh, ứng dụng của Tôn Thất Hoàn thể tìm ra...