Các kỹ sư đã tạo ra một loại film chống đến 70% sức nóng mặt trời có thể áp dụng che phủ cửa sổ các công trình. Loại film này có thể giữ độ trong suốt ở điều kiện thời tiết dưới 32 độ C (tương đương 89 độ F). Vì vậy không ảnh hưởng đến kiến trúc cảnh quan của công trình. Họ ước đoán rằng nếu mỗi cửa sổ ở mặt ngoài của công trình được che phủ bởi loại film này, có thể tiết kiệm đến 10% chi phí năng lượng dùng cho điều hòa nhiệt độ.

Các nhà nghiên cứu của Viện Công nghệ Massachusetts đưa ra giải pháp lớp phủ dạng film trong suốt cho cửa sổ,

khả năng chống nóng lên tới 70%. Nguồn: Nhóm nghiên cứu cung cấp.

Để “chiến đấu” với sức nóng của mùa hè, các công trình văn phòng và nhà ở có xu hướng sử dụng triệt để điều hòa không khí, khiến cho hóa đơn tiền điện tăng lên chóng mặt. Đúng vậy, ước tính rằng điều hòa không khí sử dụng khoảng 6% tổng sản lượng điện sản xuất tại Hoa Kỳ, với chi phí hàng năm lên tới 29 tỷ USD – một chi phí chắc chắn còn cao hơn nữa khi nhiệt độ trái đất đang ngày càng nóng lên.

Hiện tại, các kỹ sư của Viện Công nghệ Massachusetts (MIT) đã tạo ra một loại film có thể cản nhiệt rất tốt, lên tới 70% sức nóng mặt trời, dùng che phủ cửa sổ công trình. Loại film này có thể duy trì độ trong suốt dưới 32 độ C, tương đương 89 độ F. Khi nhiệt độ cao hơn, tấm film sẽ hoạt động như một “hệ thống tự trị” để loại bỏ nhiệt lượng. Họ ước tính rằng nếu mọi cửa sổ hướng ra ngoài của một tòa nhà được bao phủ loại film này, chi phí năng lượng và điều hòa nhiệt độ của tòa nhà đó có thể giảm tới 10%.

Tấm film như một tấm màng nhựa trong suốt, đặc tính kháng nhiệt của nó nằm ở các vi hạt được nhúng bên trong. Những vi hạt này được làm từ một loại vật liệu đổi đoạn, chúng co lại khi tiếp túc với nhiệt độ từ 85 độ F trở lên. Trong các cấu hình nhỏ gọn hơn, vi hạt tạo cho màng film có thể trở nên trong suốt hoặc mờ hơn.

Đối với cửa sổ vào mùa hè, loại film này có thể làm mát thụ động một tòa nhà trong khi vẫn đảm bảo chiếu sáng tự nhiên. Nicolas Fang, Giáo sư kỹ thuật cơ khí tại MIT cho hay: “Vật liệu này đem đến một giải pháp thay thế hiệu quả và tiết kiệm năng lượng cho các công nghệ cửa sổ thông minh hiện có. Cửa sổ thông minh trên thị trường hiện nay không hiệu quả trong việc chống nóng, hoặc giống như cửa sổ điện tử, thậm chí chúng ta còn tốn thêm điện để điều khiển chúng. Chúng tôi nghĩ rằng có thể tạo điều kiện phát triển vật liệu quang học và lớp bao che mới, để cung cấp các lựa chọn cửa sổ thông minh “thông minh” hơn”.

Fang và các cộng sự của ông, gồm có các nhà nghiên cứu đến từ Đại học Hồng Kông, đã công bố kết quả nghiên cứu trên Tạp chí Joule.

Tấm lưới trong nước

Mới hơn một năm trước, Fang bắt đầu cộng tác với các nhà nghiên cứu của Đại học Hồng Kông. Họ cần tìm cách giảm sử dụng năng lượng của các tòa nhà ở thành phố, đặc biệt là trong những tháng mùa hè, khi khu vực này nổi tiếng là nắng nóng và sử dụng điều hòa nhiệt độ ở mức tối đa.

Giải quyết được thách thức này rất quan trọng đối với một vùng đất “siêu đô thị” như Hồng Kông. Chính quyền và người dân nơi đây đang tìm mọi cách để tiết kiệm năng lượng. Hồng Kông cam kết giảm 40% năng lượng sử dụng vào năm 2025.

Sau một vài tính toán, các sinh viên của Giáo sư Fang nhận ra rằng một phần đáng kể nhiệt lượng mặt trời khiến các tòa nhà nóng lên là do cửa sổ. Hóa ra, đối với mỗi m2 cửa sổ, lượng nhiệt từ ánh sáng mặt trời chiếu vào tương đương với 5 chiếc bóng đèn (tổng khoảng 500watt) sẽ khiến mọi thứ trong công trình nóng dần lên. Fang và cộng sự nghiên cứu các đặc tính phân tán ánh sáng của vật liệu đổi đoạn, họ tự hỏi liệu các vật liệu quang học có thể được thiết kế dùng cho các cửa sổ hay không, nơi hấp thụ một lượng nhiệt đáng kể của tòa nhà.

Họ đã dày công nghiên cứu vật liệu nhạy cảm với nhiệt độ, chúng có thể đổi đoạn, hoặc màu sắc để phản ứng với nhiệt. Cuối cùng, họ đã tìm ra vật liệu làm từ poly (N-isopropylacrylamide)-2-Aminoethylmethacrylate hydrochloride vi hạt. Những vi hạt này trông giống như những quả cầu nhỏ, trong suốt và có nhiều sợi. Ở nhiệt độ 85 độ F hoặc cao hơn, các quả cầu siết chặt nước đang chứa bên trong chúng và thu nhỏ thành các bó sợi chặt phản ánh ánh sáng theo một cách khác, biến từ vật liệu trong suốt thành mờ hơn.

Nó giống như một tấm lưới trong nước. Mỗi sợi quang tự tạo ra lưới, phản ánh một lượng ánh sáng nhất định. Nhưng bởi vì có rất nhiều nước được nhúng vào “lưới” nên sẽ khó nhìn thấy từng sợi.

Trong các thí nghiệm trước đây, các nhóm nghiên cứu khác đã phát hiện ra rằng các hạt bị co lại có thể loại bỏ ánh sáng tương đối tốt, tuy nhiên, chúng lại không giúp ích nhiều trong việc kháng nhiệt. Fang và các đồng nghiệp nhận ra hạn chế này và họ quyết định giảm kích thước hạt xuống: “Các hạt được sử dụng trước đó co lại thành đường kính khoảng 100 nanomet, nhỏ hơn bước sóng của ánh sáng hồng ngoại, làm cho nhiệt dễ dàng truyền qua. Thay vào đó, Fang và cộng sự đã mở rộng chuỗi phân tử của từng vi hạt, khi nó co lại để phản ứng với nhiệt, đường kính của hạt khoảng 500 nanomet, tương thích hơn với quang phổ hồng ngoại của ánh sáng mặt trời”.

Một sự khác biệt đáng kể

Từ đó, các nhà nghiên cứu đã đưa ra giải pháp mới liên quan đến các vi hạt có khả năng chịu nhiệt. Chúng sẽ được đưa vào giữa hai tấm kính cửa sổ có kích thước 12 inches, giống như cửa sổ đã được phủ film. Họ chiếu mô phỏng năng lượng mặt trời lên cửa sổ để có ánh sáng mặt trời giống như thật và thấy rằng tấm film chuyển sang dạng hạt sương để phản ứng lại với sức nóng. Họ đo bức xạ mặt trời truyền qua mặt bên kia cửa sổ, và thấy tấm film có thể giảm tới 70% lượng nhiệt so với mặt còn lại.

Họ cũng thử nghiệm với một căn phòng nhỏ được phủ tấm film này. Kết quả cho thấy, nếu không có lớp film, nhiệt độ bên trong có thể lên tới 102 độ F – tương đương với một cơn sốt cao. Khi được phủ film, nhiệt độ chỉ còn 93 độ F. Đó cũng đã là một sự khác biệt rất đáng kể.

Trong tương lai, nhóm nghiên cứu sẽ tiến hành nhiều loại thử nghiệm khác nhau để xem liệu có thể tinh chỉnh công thức hay không, và áp dụng nó theo nhiều cách khác nhau để cải thiện tính chất chống nóng.

Nghiên cứu này được Hiệp hội Liên danh Đại học Bách Khoa Hồng Kông và Viện Công nghệ Massachusetts tài trợ.

Nguyễn Minh Hiếu lược dịch

Nguồn: Sciencedaily.com