Do sự biến đổi khí hậu, môi trường càng ngày càng nóng hơn, máy điều hòa không khí được sử dụng phổ biến và có mặt trong bất cứ công trình xây dựng lớn nhỏ nào.

Nhưng các thiết bị làm mát “tích cực” lại gây tổn hại môi trường “quay vòng” do tiêu thụ điện quá nhiều, xả thải các hóa chất làm suy giảm tầng ôzôn, làm trầm trọng thêm hiệu ứng khí nhà kính, tạo ra các đảo nhiệt đô thị, nóng hơn và gây ô nhiễm nhiệt hơn.

Ý tưởng làm mát “thụ động”, không sử dụng điện và không tạo ra khí thải nhà kính hiên đang thu hút sự quan tâm rất lớn của cộng đồng khoa học và công nghệ trong những năm gần đây.

Một nhóm các nhà khoa học Trung Quốc và Mỹ, dẫn đầu là Dangyuan Lei, phó giáo sư Khoa Kỹ thuật và Khoa học Vật liệu, Đại học Thành phố Hồng Kông, Jian-Guo Dai, giáo sư Khoa Kỹ thuật Xây dựng và Môi trường, Đại học Bách khoa Hồng Kông trong một nghiên cứu mới, được công bố trên tạp chí Advanced Materials, giới thiệu một lớp phủ thông minh, thân thiện môi trường, giá thành hạ, có khả năng giữ cho các tòa nhà mát hơn nhưng không tiêu thụ điện.

Làm mát thụ động trên cơ sở bức xạ hồng ngoại được nghiên cứu từ năm 2014, nhưng những phương pháp làm mát thụ động có những nhược điểm như giá thành cao, cấu trúc thiết kế phức tạp và không bền vững khiến việc ứng dụng rộng rãi với quy mô lớn trở thành không thực tế.

Một nhược điểm lớn của lớp vật liệu làm mát thụ động là sự mất cân bằng nhiệt do lớp phủ làm mát ban ngày và cả ban đêm, dẫn đến sự chênh lệch nghiêm trọng nhiệt độ ngày và đêm. Lượng nhiệt thất thoát nhiều vào ban đêm khiến tòa nhà dân sự phải tiêu hao nhiều năng lượng hơn để duy trì nhiệt độ thông thường.

Phương pháp làm mát thụ động đòi hỏi một cơ chế điều chỉnh “thông minh”, tăng cường khả năng làm mát ban ngày và giảm thoát nhiệt vào ban đêm, khi nhiệt độ môi trường giảm xuống.

Dựa trên quan điểm này, các nhà nghiên cứu phát triển một lớp phủ thông minh mới từ các vật liệu xây dựng thông thường, thiết kế các hạt nano titan dioxit, vi hạt huỳnh quang và vi cầu thủy tinh nhằm phản xạ hầu hết ánh sáng mặt trời chiếu vào tòa nhà, giảm thiểu hấp thụ nhiệt đồng thời phát lại bức xạ hồng ngoại.

Những hạt nano điôxít titan phản xạ hiệu quả ánh sáng mặt trời bằng sự tán xạ ánh sáng, các hạt huỳnh quang tăng thêm phản xạ ánh sáng phản xạ bằng việc chuyển đổi hiệu quả ánh sáng mặt trời hấp thụ được thành phát xạ huỳnh quang, tiêu tán khỏi tòa nhà.

Trong lớp phủ vật liệu thông minh, các vi cầu thủy tinh phát ra bức xạ hồng ngoại dải tân trung, băng thông rộng, không chỉ cho phép tản xạ nhiệt mà còn tạo ra sự trao đổi nhiệt giữa tòa nhà và không gian.

Như vậy, nano điôxít titan và vi hạt huỳnh quang cho phép lớp phủ có nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ môi trường, các vi cầu thủy tinh như bộ điều chỉnh, thu hẹp sự chênh lệch nhiệt độ ban ngày và ban đêm. Sự tương tác thông minh này hình thành khả năng làm mát bằng bức xạ, khiến nhiệt độ lớp phủ thấp hơn môi trường vào ban ngày và ổn định nhiệt vào ban đêm.

 

Lớp phủ thông minh này được thử nghiệm trên bề mặt của một tòa nhà bê tông mẫu. Thông qua sự trao đổi nhiệt hiệu quả với bầu trời, quá trình làm mát ban ngày được tăng cường, nhưng sự hạ nhiệt của lớp phủ ban đêm bị triệt tiêu.

Trong thử nghiệm, nhiệt độ bên trong của tòa nhà được duy trì mức dao động 26 ℃, ngay cả khi nhiệt độ bên ngoài thay đổi từ 24 ℃ đến 37 ℃ ban ngày và hoàn toàn không thay đổi vào ban dêm.

Thử nghiệm độ bền vững với biến động thời tiết được tăng tốc nhân tạo, tương đương với việc duy trì lớp phủ ngoài trời 2 năm, cho thấy rằng hiệu suất làm mát tổng thể hầu như không suy giảm đáng kể trong thời gian này.

Độ bền thời gian trong điều kiện thời tiết không thuận lợi có ý nghĩa quan trọng trong việc phát triển vật liệu lớp phủ bên ngoài, cho phép ứng dụng thương mại để tạo thành hệ thống làm mát các tòa nhà dân sự.

Ý tưởng thiết kế lớp phủ mới là sự đột phá trong lựa chọn vật liệu và giảm thiểu đáng kể chi phí làm mát tòa nhà. Các nhà khoa học tiếp tục phát triển công trình nghiên cứu, định hướng theo các vùng miền khí hậu khác nhau để xác định tỷ lệ tối ưu của nguyên liệu, thiết kế cấu trúc tối ưu của các vi hạt nhằm đảm bảo sự ổn định nhiệt trong một tòa nhà.

Các nhà nghiên cứu tin tưởng rằng, lớp phủ bề mặt mới sẽ sớm được thương mại hóa, hình thành công nghệ làm mát thụ động, bền vững dân dụng phổ thông, ngăn chặn sự biến đổi khí hậu và khủng hoảng năng lượng toàn cầu.