Vật liệu cảm biến nhiệt tiết kiệm năng lượng

Một nhóm nhà nghiên cứu tại Trường Kỹ thuật Phân tử Pritzker (PME) Đại học Chicago thiết kế loại vật liệu xây dựng giống tắc kè hoa có thể thay đổi màu hồng bên ngoài của nó - và lượng nhiệt mà nó hấp thụ hoặc tỏa ra - dựa theo nhiệt độ bên ngoài.

20/02/2023 11:10

Thúc đẩy bởi biến đổi khí hậu

Vào những ngày nắng nóng, vật liệu này có thể phát ra tới 92% lượng nhiệt hồng ngoại mà nó chứa, giúp làm mát bên trong tòa nhà. Tuy nhiên, vào những ngày lạnh hơn, vật liệu này chỉ phát ra 7% hồng ngoại, giúp giữ ấm cho tòa nhà.

Giáo sư Po-Chun Hsu, người đứng đầu nghiên cứu được công bố trên tạp chí Nature Sustainability, cho biết: “Về cơ bản, chúng tôi đã tìm ra một cách sử dụng năng lượng thấp để đối xử với một tòa nhà như một con người; bạn thêm một lớp khi bạn lạnh và cởi một lớp khi bạn nóng. Loại vật liệu thông minh này cho phép chúng tôi duy trì nhiệt độ trong một tòa nhà mà không cần tiêu tốn nhiều năng lượng”.

image001.jpg -0 — Vật liệu chứa một lớp có thể có 2 cấu trúc: đồng rắn giữ lại hầu hết nhiệt hồng ngoại, giúp giữ ấm cho tòa nhà, hoặc dung dịch nước phát ra tia hồng ngoại giúp làm mát tòa nhà.

Theo một số ước tính, các tòa nhà chiếm 30% mức tiêu thụ năng lượng toàn cầu và thải ra 10% tổng lượng khí nhà kính toàn cầu. Khoảng một nửa năng lượng này là do sưởi ấm và làm mát không gian bên trong. Hsu bình luận: “Trong một thời gian dài, hầu hết chúng ta đều coi việc kiểm soát nhiệt độ trong nhà là điều hiển nhiên mà không nghĩ đến việc nó cần bao nhiêu năng lượng. Nếu muốn có một tương lai ít carbon, tôi nghĩ chúng ta phải xem xét nhiều cách khác nhau để kiểm soát nhiệt độ tòa nhà theo cách tiết kiệm năng lượng hơn”.

Nhóm nhà nghiên cứu trước đây đã phát triển các vật liệu làm mát bức xạ giúp giữ mát cho tòa nhà bằng cách tăng cường khả năng phát ra tia hồng ngoại, loại nhiệt vô hình tỏa ra từ con người và đồ vật. Ngoài ra, cũng tồn tại những vật liệu ngăn cản sự phát tia hồng ngoại ở vùng khí hậu lạnh.

Chenxi Sui, sinh viên tốt nghiệp PME và tác giả đầu tiên của bản thảo mới, cho biết: “Một cách đơn giản để nghĩ về nó là nếu bạn có một tòa nhà hoàn toàn màu đen đối diện với mặt trời, nó sẽ dễ nóng lên hơn các tòa nhà khác”.

Loại sưởi ấm thụ động đó có thể là điều tốt trong mùa đông, nhưng không phải trong mùa hè. Khi sự nóng lên toàn cầu gây ra các hiện tượng thời tiết cực đoan ngày càng thường xuyên và thời tiết thay đổi, các tòa nhà cần phải có khả năng thích ứng - một số vùng khí hậu yêu cầu hệ thống sưởi quanh năm hoặc điều hòa không khí quanh năm.

Từ kim loại sang chất lỏng và ngược lại

Hsu và đồng nghiệp thiết kế một loại vật liệu xây dựng “điện sắc” không bắt lửa có chứa một lớp có thể mang 2 hình dạng: đồng rắn giữ lại hầu hết nhiệt hồng ngoại hoặc dung dịch nước phát ra tia hồng ngoại. Ở bất kỳ nhiệt độ kích hoạt đã chọn nào, thiết bị sử dụng một lượng điện nhỏ để tạo ra sự dịch chuyển hóa học giữa các trạng thái bằng cách lắng đọng đồng vào một màng mỏng hoặc tước đồng đó ra.

Trong bài báo mới, nhóm nhà nghiên cứu trình bày chi tiết cách thiết bị có thể chuyển đổi nhanh chóng và đảo ngược giữa trạng thái kim loại và chất lỏng. Họ chỉ ra khả năng chuyển đổi giữa 2 cấu hình vẫn hiệu quả ngay cả sau 1.800 chu kỳ.

Sau đó, nhóm tạo ra các mô hình về cách vật liệu của họ giúp cắt giảm chi phí năng lượng trong các tòa nhà điển hình ở 15 thành phố khác nhau của Mỹ. Họ báo cáo, trong một tòa nhà thương mại trung bình, lượng điện được sử dụng để tạo ra các thay đổi điện sắc trong vật liệu sẽ ít hơn 0,2% tổng lượng điện sử dụng của tòa nhà, nhưng có thể tiết kiệm 8,4% mức tiêu thụ năng lượng hàng năm của tòa nhà.

Hsu nói: “Một khi bạn chuyển đổi giữa các trạng thái, bạn không cần phải sử dụng thêm bất kỳ năng lượng nào để duy trì trạng thái đó. Vì vậy, đối với tòa nhà mà bạn không cần phải chuyển đổi giữa các trạng thái này thường xuyên, nó thực sự sử dụng một lượng điện rất không đáng kể”.

image002.jpg -0 — Giáo sư Po-Chun Hsu, người đứng đầu nghiên cứu được công bố trên tạp chí Nature Sustainability.

Mở rộng quy mô

Cho đến nay, nhóm của Hsu mới chỉ tạo ra những mảnh vật liệu có đường kính khoảng 6cm. Tuy nhiên, họ tưởng tượng nhiều mảng vật liệu như vậy có thể được lắp ráp giống như ván lợp thành những tấm lớn hơn. Họ cho rằng vật liệu này cũng có thể được điều chỉnh để sử dụng các màu tùy chỉnh khác nhau - pha nước trong suốt và gần như bất kỳ màu nào có thể được đặt phía sau nó mà không ảnh hưởng đến khả năng hấp thụ tia hồng ngoại của nó.

Nhóm nhà nghiên cứu hiện đang nghiên cứu các cách chế tạo vật liệu khác nhau. Họ cũng có kế hoạch thăm dò các trạng thái trung gian của vật liệu có thể hữu ích như thế nào. Hsu cho biết: “Chúng tôi đã chứng minh rằng kiểm soát bức xạ có thể đóng một vai trò trong việc kiểm soát nhiều loại nhiệt độ tòa nhà trong các mùa khác nhau. Chúng tôi đang tiếp tục làm việc với các kỹ sư và lĩnh vực xây dựng để xem làm thế nào điều này có thể đóng góp cho một tương lai bền vững hơn”.