Các nhà khoa học vừa phát minh loại vật liệu mới, làm mát không cần điện, thân thiện với môi trường mà rất rẻ

Khoảng 6% lượng điện sản xuất ra tại Mỹ được sử dụng cho các hệ thống điều hòa không khí để làm mát nhà và văn phòng. Khi các quốc gia như Brazil, Trung Quốc và Ấn Độ trở nên giàu có hơn, người dân ở những nơi này cũng sẽ có hành động tương tự. Chi phí điện năng cho việc này không chỉ đắt đỏ, mà còn làm gia tăng phát thải các khí gây hiệu ứng nhà kính như khí HFC mà các máy điều hòa không khí sử dụng để làm lạnh, và khí CO₂ thải ra từ các nhà máy nhiệt điện.

Hai nhà nghiên cứu Ronggui Yang và Xiaobo Yin từ trường Đại học Colorado với phát minh của mình.

Tuy nhiên, hai nhà nghiên cứu Ronggui Yang và Xiaobo Yin đến từ Đại học Colorado, Boulder, đã có một cách tiếp cận khác cho vấn đề này. Họ phát minh ra một tấm phim có thể làm mát các tòa nhà mà không cần sử dụng các chất làm lạnh, và đáng chú ý hơn cả, là không hề tốn năng lượng nào để làm như vậy. Hơn nữa, loại phim phủ này có thể được làm theo phương pháp sản xuất con lăn (roll to roll) tiêu chuẩn, với chi phí chỉ khoảng 50 cent (khoảng 11.300 VNĐ) trên mỗi mét vuông.

Loại phim phủ mới này hoạt động bằng một quá trình được gọi là làm mát bằng bức xạ. Quá trình này tận dụng một thực tế rằng, bản thân bầu khí quyển Trái Đất cho phép một số bước sóng của bức xạ hồng ngoại mang nhiệt thoát vào không gian vũ trụ mà không bị cản trở. Nếu bạn có thể chuyển hóa lượng nhiệt không mong muốn thành tia hồng ngoại với đúng bước sóng đó, bạn có thể ném nó vào vũ trụ mà không lo việc nó quay trở lại.

Minh họa hiệu ứng làm mát bằng bức xạ.

Tiến sĩ Yang và Yin không phải là người đầu tiên cố gắng làm mát tòa nhà bằng cách này. Vào năm 2014, Shanhui Fan và đồng nghiệp của mình tại Đại học Stanford, California đã trình diễn một thiết bị sử dụng nguyên lý này để làm mát. Tuy nhiên, vật liệu mà họ phát minh ra lại chứa đến 7 lớp hóa chất, bao gồm Hafnium Di-Oxide và Silicon Di-Oxide với độ dầy khác nhau, nằm trên một tấm silicon. Do vậy, nó sẽ rất khó khăn và tốn kém khi muốn sản xuất số lượng lớn.

Ngược lại, tấm phim phủ của tiến sĩ Yang và Yin được làm từ PolyMethylPentene , một hóa chất thương mại có sẵn, một loại nhựa trong suốt được bán dưới thương hiệu TPX. Từ loại hóa chất này, họ trộn nó với những hạt thủy tinh siêu nhỏ. Sau đó, họ kéo hỗn hợp thành phẩm này ra thành các tấm với độ dày 50 micron (mỗi micron bằng một phần triệu mét), và mạ bạc lên một mặt của những tấm đó. Khi đặt trên mái nhà, lớp bạc sẽ nằm ở bên dưới. Do đó, ánh nắng mặt trời sẽ được phản xạ ngược lại xuyên qua lớp nhựa plastic, và ngăn chặn nó làm nóng tòa nhà bên dưới.

Hình vẽ minh họa lớp vật liệu của nhóm nghiên cứu. (Nguồn: Sciencemag).

Tuy vậy, ngăn chặn làm cái gì đó nóng lên không có nghĩa là sẽ làm nó mát hơn. Mấu chốt của việc này lại nằm ở những hạt thủy tinh siêu nhỏ. Việc duy trì nhiệt độ không phải là một quá trình ổn định. Mọi đối tượng đều hấp thụ và phát nhiệt ra mọi lúc, kể cả ngôi nhà chúng ta đang ở và nhiệt phát ra thường dưới dạng bức xạ hồng ngoại. Để đi qua các hạt thủy tinh nằm trong tấm vật liệu này, bước sóng của bức xạ nhiệt phải phù hợp với đường kính của chúng.

Trong khi đó, những hạt thủy tinh với đường kính khoảng 8 micron sẽ cho phép phần lớn lượng nhiệt thoát ra với các bước sóng có thể đi thẳng qua bầu khí quyển, mà không bị dội ngược trở lại (Infrared Atmospheric Window – cửa sổ khí quyển hồng ngoại, một đặc tính của bầu không khí trái đất). Hơn nữa, do nguồn của lượng nhiệt này lại chính là tòa nhà bên dưới, hiêu ứng này sẽ làm mát tòa nhà.

Hiệu ứng làm mát của loại vật liệu này rất mạnh, lên đến 93W trên mỗi mét vuông dưới ánh nắng trực tiếp của mặt trời, và còn lớn hơn nữa vào buổi đêm. Nhóm nghiên cứu ước tính rằng, một tấm phim phủ của họ với diện tích 20 m², đặt trên nóc một căn nhà trung bình ở Mỹ, là đủ để giữ cho nhiệt độ trong căn nhà đó ở mức 20^oC vào ban ngày khi nhiệt độ bên ngoài là 37^oC.

Muốn điều chỉnh khả năng làm mát, một hệ thống sử dụng loại phim phủ này có thể sẽ cần các ống nước để dẫn nhiệt từ bên trong tòa nhà tới lớp mái đang được phủ phim đó. Việc điều chỉnh tốc độ dòng nước qua các ống đó khi nhiệt độ bên ngoài biến đổi sẽ giữ cho nhiệt độ tòa nhà ở mức ổn định. Không giống như hệ thống tự làm mát, các máy bơm này sẽ cần năng lượng để hoạt động, nhưng nó sẽ không nhiều nếu so với năng lượng cho các máy điều hòa không khí cũ.

Theo Economist