Kết quả nghiên cứu được công bố trong một báo cáo, đăng tải trên tạp chí Science ngày 17/12 cho thấy, đây là công nghệ đột phá vượt trội hơn hẳn những hệ thống mái mát thương mại trong tiết kiệm năng lượng.

Junqiao Wu, nhà nghiên cứu Khoa học Vật liệu của Phòng thí nghiệm Berkeley và GS Khoa học vật liệu và Kỹ thuật thuộc Đại học California, Berkeley (UC Berkeley, chủ nhiệm công trình nghiên cứu cho biết,  mái phủ đa mùa thông minh tự động chuyển từ làm mát mái sang giữ ấm, tùy thuộc vào nhiệt độ không khí ngoài trời.

Những hệ thống lám mái mát ngày nay, như lớp phủ phản chiếu, màng, ván lợp hoặc ngói, có bề mặt "màu mát" màu sáng hoặc sẫm lạnh. Những hệ thống này phát xạ nhiệt lượng mặt trời dưới dạng bức xạ nhiệt - hồng ngoại. Quy trình tự nhiên này được gọi là làm mát bằng bức xạ, quang nhiệt hồng ngoại nhiệt phát xạ khỏi bề mặt.

Tất cả các hệ thống mái mát tự nhiên đều tiếp tục phát xạ nhiệt vào mùa đông, khiến mái nhà lạnh và làm tăng chi phí sưởi ấm. Theo GS Wu, vật liệu mới, được gọi là lớp phủ bức xạ thích ứng nhiệt độ hoặc TARC cho phép tiết kiệm năng lượng bằng giải pháp tự động tắt hệ thống làm mát bằng bức xạ mùa đông, khắc phục vấn đề mái quá lạnh. TARC là lớp phủ mái đầu tiên tự động chuyển đổi giữa làm mát trong thời tiết nóng sang sưởi ấm trong thời tiết lạnh bằng cách điều chỉnh mức độ làm mát bức xạ.

Kim loại thường là chất dẫn điện và nhiệt tốt. Năm 2017, nhóm nghiên cứu của GSWu phát hiện được, các electron trong vanadi dioxide hoạt động tương tự như kim loại, dẫn điện nhưng là chất phản xạ nhiệt, có nghĩa là vật liệu dẫn điện tốt nhưng dẫn nhiệt kém, trái ngược với hầu hết các kim loại khác, electron dẫn nhiệt và điện theo tỷ lệ thuận.

Vanadium dioxide dưới 67 độ C (153 độ F) trong suốt và không hấp thụ quang nhiệt hồng ngoại. Nhưng khi đạt đến 67 độ C, vanadi dioxide chuyển sang trạng thái kim loại, hấp thụ quang nhiệt hồng ngoại. Khả năng chuyển từ pha này sang pha khác, đối với vanadi dioxide là từ chất cách điện sang kim loại được gọi là vật liệu đổi pha.

Theo nghiên cứu của GS Wu, chỉ cần thay thế 1,5% vanadi trong vanadi dioxide bằng vonfram, kỹ thuật "pha tạp" làm giảm ngưỡng thay đổi pha của vật liệu xuống 25 độ C (77 độ F) nhiệt độ lý tưởng cho những ứng dụng thực tế.

Thực nghiệm hoạt động của vanadium dioxide trong hệ thống mái nhà, nhóm nghiên cứu GS Wu thiết kế một thiết bị TARC màng mỏng 2 cm x 2 cm từ ba lớp: lớp dưới cùng phản chiếu làm từ bạc, một lớp giữa bari florua trong suốt và lớp trên cùng là vanadi dioxide. TARC tương tự như băng keo Scotch và có thể được dán lên bề mặt như sân thượng, mái nhà.

 Vật liệu thử nghiệm TARC do nhóm nghiên cứu GS Wu chế tạo

Đồng tác giả Kechao Tang tiến hành một thử nghiệm trên mái ngôi nhà của GS Wu ở Vịnh Đông mùa hè năm 2020 nhằm chứng minh khả năng hoạt động của công nghệ trong môi trường thực tế. Các nhà khoa học đặt một thiết bị đo lường không dây, ghi lại những phản ứng của mẫu TARC theo thay đổi của ánh nắng và nhiệt độ ngoài trời, đồng thời thu thập thông tin từ mẫu mái tối thương mại và mẫu mái trắng thương mại trong nhiều ngày.

 Thực nghiệm thu thập các thông số dữ liệu phản ứng của TARC theo ánh sáng và nhiệt độ môi trường trên mái nhà GS Wu.

Nhóm nghiên cứu sử dụng dữ liệu từ thử nghiệm ngoài trời mô phỏng hoạt động của TARC quanh năm ở các thành phố đại diện cho 15 vùng khí hậu khác nhau trên khắp nước Mỹ đồng thời phát triển một phương pháp ước tính mức tiết kiệm năng lượng hàng năm mà TARC cung cấp từ việc giảm nhu cầu về điện năng làm mát vào mùa hè và sưởi ấm vào mùa đông trên khắp nước Mỹ.

Theo những thí nghiệm mô phỏng, TARC vượt trội hơn các lớp phủ mái hiện có về tiết kiệm năng lượng ở 12 trong số 15 vùng khí hậu, đặc biệt ở những vùng có sự thay đổi nhiệt độ lớn giữa ngày và đêm như Vịnh San Francisco, hoặc giữa mùa đông và mùa hè như thành phố New York. Nếu lắp đặt TARC, một hộ gia đình trung bình ở Mỹ có thể tiết kiệm tới 10% điện năng mỗi năm.

Kết quả những phép đo của nhóm nghiên cứu cho thấy, TARC phản xạ khoảng 75% ánh sáng mặt trời quanh năm và 90% nhiệt lượng khi nhiệt độ nóng trên 25 độ C (77 độ F). Trong thời tiết mát mẻ hơn, hệ số phát xạ nhiệt của TARC tự động chuyển sang mức thấp (dưới 20%), giúp giữ nhiệt từ năng lượng mặt trời và hệ thống sưởi trong nhà.

Các nhà nghiên cứu có kế hoạch phát triển các nguyên mẫu TARC với diện tích lớn hơn để kiểm tra hiệu suất như một lớp phủ mái thực tế. TARC cũng có thể được ứng dụng làm lớp phủ bảo vệ nhiệt cho các trang thiết bị, hoạt động trong điều kiện khắc nghiệp môi trường, vật liệu cũng có thể được sử dụng để làm vải điều chỉnh nhiệt độ cho lều, tấm phủ nhà kính, thậm chí cả mũ và áo khoác.