Điều hòa không cần điện

Tấm phim làm mát

Theo tờ The Economist, khoảng 6% lượng điện tiêu thụ ở Mỹ là để chạy các hệ thống làm lạnh ở hộ gia đình và các tòa nhà.

Tỉ lệ này ở các nước đông dân như Brazil, Ấn Độ và Trung Quốc được dự báo cũng cao tương tự, khi ngày càng nhiều người đủ tiền sắm máy lạnh cho gia đình.

Càng nhiều máy lạnh càng hại đến môi trường, bởi các thiết bị này thải ra khí nhà kính HFC (hydrofluorocarbons - chất làm lạnh phổ biến trong máy lạnh) và gián tiếp làm gia tăng ô nhiễm thông qua khí CO2 do các nhà máy điện chạy nhiên liệu hóa thạch thải ra.

Giới khoa học đã đạt được thành công bước đầu với các dự án làm lạnh thụ động (vật thể tự giảm nhiệt độ mà không cần tác động bên ngoài) dựa trên nguyên lý làm mát bức xạ (radiative cooling), tức quá trình một vật thể tự giảm sức nóng thông qua bức xạ nhiệt.

Các nhà khoa học lấy ngay cơ chế tự làm mát của Trái đất để áp dụng vào nghiên cứu. Vào ban ngày, Trái đất liên tục bị ánh nắng mặt trời chiếu vào, song lại có thể tự làm mát vào ban đêm, nhất là những đêm ít mây.

Theo đó, thông qua hiện tượng làm mát bức xạ, từ bề mặt Trái đất, sức nóng (dưới dạng tia hồng ngoại) sẽ được giải phóng vào vũ trụ để cân bằng với nhiệt lượng hấp thụ từ Mặt trời.

Tấm che làm mát của SkyCool

Câu chuyện năm 2014

Theo giải thích của trang Next Big Future, bầu khí quyển của Trái đất cho phép bức xạ nhiệt có bước sóng trong khoảng 8 đến 13 micromet xuyên qua và đi vào không gian.

Vì thế, mấu chốt của các vật liệu làm mát không cần điện là làm sao cho bức xạ mà vật thể nó bao phủ phát ra đạt được bức sóng trong khoảng này, để có thể đi thẳng vào không gian mà không bị khí quyển đẩy lùi trở lại.

Trong bài báo công bố trên tạp chí Nature năm 2014, hai nhà khoa học thuộc Đại học Stanford (Mỹ), giáo sư Shanhui Fan và đồng sự Aaswath Raman, tuyên bố đã tạo ra một siêu vật liệu (metamaterial) với tính năng như trên. Siêu vật liệu này chỉ dày 1,8 micromet (0,0018 milimet), nhưng có cấu tạo từ 7 lớp silicon dioxide (SiO2) và hafnium oxide (HfO2) với mặt đáy tráng bạc.

Hai nhà khoa học khẳng định khi phủ lên bề mặt tòa nhà, vật liệu siêu mỏng này sẽ mang đến hai tác dụng song song: đánh bật, không cho nắng nung nóng ngôi nhà mà nó che phủ, đồng thời hút khí nóng từ trong nhà và “tống khứ” vào... vũ trụ.

Giáo sư Fan giải thích các lớp cấu tạo nên tấm phủ này đã được tính toán kỹ lưỡng để bức xạ nhiệt của ngôi nhà, khi đi xuyên qua chúng, sẽ đạt đúng bước sóng cần thiết để “bay” vào không gian như đã giải thích ở trên.

Ngoài ra, bề mặt của vật liệu cũng có tác dụng như một “tấm gương phản nắng” hiệu quả, khi có thể ngăn 97% ánh sáng tiếp cận ngôi nhà và vì thế tránh cho công trình bị nắng nung nóng.

“Chúng tôi đã tạo được một thứ vừa là bộ tản nhiệt, vừa là một tấm gương phản chiếu ánh nắng cực kỳ hiệu quả” - đồng tác giả công trình Raman tự hào khoe.

Với khả năng vừa tản nhiệt (từ trong ra) vừa không cho sức nóng mới tiếp cận (từ bên ngoài), vật liệu của nhóm nghiên cứu được cho là có thể làm nhiệt độ của vật thể nó bao phủ xuống thấp hơn 12 độ C so với nhiệt độ bên ngoài.

Giáo sư Eli Yablonovitch, thuộc Đại học California, Berkeley (Mỹ), đánh giá vật liệu của Fan và Raman là “ý tưởng đơn giản nhưng vô cùng mới mẻ và độc đáo”.

Nhà vật lý từng đoạt giải Nobel Burton Richter, giáo sư danh dự Đại học Stanford, cũng cho rằng nhóm của Fan đã “chứng minh rằng ta có thể làm mát thụ động một tòa nhà chỉ đơn giản bằng cách khiến nó bức xạ nhiệt vào vũ trụ lạnh lẽo ngoài kia”.

Tuy nhiên ở thời điểm năm 2014, ý tưởng siêu vật liệu làm mát vẫn còn gặp nhiều trở ngại. Theo các nhà nghiên cứu Đại học Stanford, để có thể sản xuất đại trà sản phẩm trên cần giải quyết ít nhất hai vấn đề: phải thiết kế nội thất của tòa nhà thế nào để hơi nóng trong nhà có thể đến được với lớp vật liệu này, từ đó được tống ra ngoài? Vấn đề thứ hai là kích thước.

Trong thí nghiệm năm 2014, nhóm của Fan chỉ có thể tạo ra sản phẩm mẫu nhỏ bằng chiếc bánh pizza trong khi để có thể làm mát cả tòa nhà, vật liệu này ít nhất phải ở dạng tấm (panel) đủ lớn để có thể ghép lại với nhau.

Các nhà nghiên cứu Đại học Stanford khi đó tin rằng sẽ có giải pháp cho hai vấn đề trên và rằng “dù còn là ngành công nghệ non trẻ, rồi sẽ có ngày làm mát bức xạ thật sự góp phần làm giảm nhu cầu điện năng của chúng ta”.

Đến năm 2017

Với cùng cách tiếp cận như nhóm của Fan, hai nhà nghiên cứu Ronggui Yang và Xiaobo Yin đến từ Đại học Colorado Boulder (Mỹ) cũng tạo ra siêu vật liệu dùng che phủ tòa nhà để tản nhiệt và phản chiếu ánh nắng cùng một lúc.

Đáng chú ý là siêu vật liệu của họ được tạo ra ở dạng tấm phim (có thể trải, phủ lên mọi bề mặt) và có thể sản xuất đại trà với chi phí vô cùng thấp: 0,25 - 0,5 USD/m2. Đây chính là câu trả lời cho hai vấn đề mà nhóm của Fan từng gặp phải hồi năm 2014.

Tấm phim của nhóm Đại học Colorado Boulder dày hơn một chút so với nhóm của Stanford (50 micromet), với ba lớp. Thành phần chính của tấm phim làm bằng polymethylpentene, vốn đã được sản xuất thương mại dưới tên gọi TPX.

Trong lớp polymethylpentene trong suốt này, nhóm nghiên cứu cho đính các hạt thủy tinh siêu nhỏ và lớp vật liệu ngoài cùng cũng được tráng bạc để phản chiếu ánh sáng.

Nhóm nghiên cứu khẳng định tấm phim này chỉ hấp thụ khoảng 4% ánh sáng chiếu vào nó và phần còn lại bị “đánh bật” trở ra. Và tương tự vật liệu của nhóm nghiên cứu Đại học Stanford, tấm phim của Yang và Yin cũng “hút” hơi nóng từ vật thể mà nó bao phủ và tống vào không gian, vì thế giúp nhiệt độ của vật thể đó giảm đến 10 độ C.

Gang Tan - giáo sư công trình dân dụng và kiến trúc Đại học Wyoming (Mỹ), đồng tác giả nghiên cứu - khẳng định “chỉ cần phủ vật liệu này với diện tích 10 - 20m2 lên sân thượng là có thể làm mát cả một ngôi nhà trong mùa hè”.

Nhóm nghiên cứu cho biết vật liệu của họ cũng có thể được dùng ở các nhà máy nhiệt điện, vốn đang phải dùng nước hoặc hệ thống làm lạnh chạy bằng điện để làm mát máy móc.

Các nhà khoa học Đại học Colorado Boulder cho biết đã đăng ký bằng sáng chế cho “tấm phim làm lạnh” nói trên và dự kiến ra mắt sản phẩm mẫu với diện tích 200m2 trong năm 2017.

Trước đó, nhóm đã giành được gói tài trợ 3 triệu USD để nghiên cứu công trình từ Cơ quan Dự án nghiên cứu công nghệ tiên tiến - năng lượng (ARPA-E) thuộc Bộ Năng lượng Mỹ.

“Lợi thế mấu chốt của công nghệ này là nó vận hành 24/24 giờ mà không tiêu tốn điện năng hay nước - Yang giải thích - Chúng tôi rất hào hứng với khả năng nó được ứng dụng trong ngành điện, vũ trụ, nông nghiệp và nhiều lĩnh vực khác”.

Thay đổi từ kiến trúc

Giới khoa học tỏ ra rất hào hứng với tiềm năng của công nghệ “làm mát bức xạ”. Trang New Scientist nhắc đến công trình của Đại học Stanford trong bài viết với tựa “Tương lai của điều hòa không khí là tống hơi nóng vào không gian”, còn trang Technology Review giật tít: “Vũ trụ đang nắm giữ bí mật của công nghệ điều hòa không khí tiết kiệm năng lượng”.

Technology Review cũng cho biết Raman đã thành lập công ty khởi nghiệp SkyCool Systems nhằm tìm cách thương mại hóa phát minh của mình.

Raman cho biết công ty đang nghiên cứu một loạt ứng dụng cho siêu vật liệu của mình và tin tưởng vào khả năng thương mại hóa các sản phẩm này, do lẽ công nghệ ngày càng tiến bộ và các sản phẩm như tấm cách nhiệt cửa sổ cũng đã bắt đầu tìm được thị trường.

Thay vì tìm kiếm vật liệu gì đó phủ lên mái nhà, một hướng tiếp cận khác là xây dựng nhà cửa bằng các vật liệu thân thiện môi trường.

Theo India Times, thành phố Mysuru (bang Karnataka, Ấn Độ) vừa xây mới nhiều trường học theo lối “kiến trúc xanh” với tường và trần nhà làm bằng gạch bùn (mud block) thay vì ximăng và bêtông.

India Times dẫn lời Bhavani Shankar, lãnh đạo Trường Maharshi, cho biết ngoài việc dùng loại vật liệu thân thiện môi trường giúp phòng học luôn mát mẻ, trường của ông còn sử dụng 100% điện mặt trời.

Trường dự kiến xây thêm hồ chứa nước mưa 50.000 lít dùng cho nhà vệ sinh, dọn rửa lớp học và tưới cây. Kiến trúc sư D. M. Gautham, thuộc Công ty kiến trúc Mud Hands (Ấn Độ), cho biết xây dựng bằng vật liệu xanh tốn ít chi phí hơn và “các công trình hoàn toàn không cần sử dụng hệ thống điều hòa nhân tạo nào”.


Tương tự, thành phố Los Angeles (Mỹ) cũng đang áp dụng nhiều giải pháp, trong đó có việc “xanh hóa” bề mặt đường phố và mái nhà dân, nhằm giảm nhiệt độ trung bình của thành phố thêm 3 độ C trong vòng 20 năm tới.

Theo Los Angeles Times, nhựa đường vốn hấp thụ đến 90% ánh nắng chiếu vào chúng và mặt đường vẫn tiếp tục tỏa ra hơi nóng vào ban đêm do tích tụ cả ngày.

Vì thế, chính quyền thành phố đã thử áp dụng các vật liệu công nghệ cao có thể phản xạ nhiều ánh nắng hơn, tương tự tấm phim làm mát nói trên. Hè năm 2015, chính quyền đã thử nghiệm lát vỉa hè ở một bãi đậu xe địa phương và nhận thấy vật liệu mới giúp mặt đường mát hơn 11 độ C, dù là giữa trưa, so với nhựa đường thông thường.■