Làm mát bằng bức xạ giúp kiểm soát khí hậu

Theo dõi MTĐT trên

Làm mát thụ động, giống như bóng mát mà cây mang lại, đã tồn tại từ lâu. Gần đây, một nhóm nhà nghiên cứu khám phá cách tăng áp cho kỹ thuật làm mát thụ động - được gọi là làm mát bằng bức xạ hoặc bầu trời - bằng vật liệu nano chặn nắng, tỏa nhiệt ra khỏi mái tòa nhà. Mặc dù đã đạt được nhiều tiến bộ nhưng công nghệ thân thiện với môi trường này vẫn chưa phổ biến vì nhóm nhà nghiên cứu vẫn đang nỗ lực tối đa hóa khả năng làm mát của vật liệu. Nghiên cứu mới do nhóm kỹ sư Đại học Buffalo(UB) dẫn đầu đã đạt được tiến bộ đáng kể trong lĩnh vực này. Một nghiên cứu mô tả một hệ thống làm mát bằng bức xạ được thiết kế độc đáo:

- Giảm nhiệt độ bên trong hệ thống thử nghiệm ở môi trường ngoài trời dưới ánh nắng trực tiếp xuống hơn 12 độ C.

- Hạ nhiệt độ của hộp thử nghiệm trong phòng thí nghiệm, nhằm mô phỏng ban đêm, xuống hơn 14 độ C.

- Đồng thời thu được đủ năng lượng mặt trời có thể dùng để làm nóng nước đến khoảng 60 độ C.

Nhóm kỹ sư cho biết, mặc dù hệ thống được thử nghiệm chỉ có diện tích 70cm, nhưng cuối cùng nó có thể được mở rộng để bao phủ mái nhà, với mục tiêu giảm sự phụ thuộc của xã hội vào nhiên liệu hóa thạch làm mát và sưởi ấm. Nó cũng có thể hỗ trợ các cộng đồng có khả năng tiếp cận điện hạn chế. Tiến sĩ Qiaoqiang Gan, giáo sư kỹ thuật điện Trường Kỹ thuật và Khoa học Ứng dụng UB, cho biết: “Nhu cầu sưởi ấm và làm mát trong cuộc sống hàng ngày của chúng ta là rất lớn, đặc biệt là làm mát trong thế giới đang nóng lên”. Nhóm nghiên cứu bao gồm Zongfu Yu, Tiến sĩ, Đại học Wisconsin-Madison; Boon Ooi, Tiến sĩ, Đại học Khoa học và Công nghệ King Abdullah (KAUST) ở Saudi Arabia; và nhóm thành viên phòng thí nghiệm của Gan tại UB và phòng thí nghiệm của Ooi tại KAUST.

Thiết kế hệ thống và vật liệu là chìa khóa thành công

Hệ thống này về cơ bản bao gồm hai tấm gương, được làm từ 10 lớp bạc và silicon dioxide cực mỏng, được đặt theo hình chữ V. Những tấm gương hấp thụ ánh sáng mặt trời tới, biến năng lượng mặt trời từ sóng nhìn thấy và sóng cận hồng ngoại thành nhiệt. Những tấm gương cũng phản chiếu sóng hồng ngoại trung bình từ một “bộ phát” (một hộp thẳng đứng ở giữa hai gương), sau đó phản xạ nhiệt mà chúng mang theo lên bầu trời.

Gan giải thích: “Vì sự phát nhiệt từ cả hai bề mặt của bộ phát nhiệt trung tâm được phản xạ lên bầu trời nên mật độ năng lượng làm mát cục bộ trên bộ phát này tăng gấp đôi, dẫn đến giảm nhiệt độ cao kỷ lục. Hầu hết các hệ thống làm mát bằng bức xạ đều phân tán năng lượng mặt trời, điều này làm hạn chế khả năng làm mát của hệ thống. Ngay cả với lựa chọn quang phổ hoàn hảo, giới hạn trên cho công suất làm mát ở nhiệt độ môi trường xung quanh 25 độ C là khoảng 160 watt trên một mét vuông. Ngược lại, năng lượng mặt trời khoảng 1.000 watt/m2 trên các hệ thống đó đơn giản là lãng phí”.

Mục tiêu thương mại hóa công nghệ

Gan đồng sáng lập một công ty phụ, Sunny Clean Water LLC, đang tìm kiếm đối tác thương mại hóa công nghệ. Đồng tác giả Lyu Zhou, nghiên cứu sinh tiến sĩ về kỹ thuật điện tại Trường Kỹ thuật và Khoa học ứng dụng, báo cáo: “Một trong những cải tiến quan trọng trong hệ thống của chúng tôi là khả năng tách và giữ lại hệ thống sưởi bằng năng lượng mặt trời và làm mát bằng bức xạ ở các bộ phận khác nhau trong một hệ thống duy nhất. Vào ban đêm, việc làm mát bằng bức xạ rất dễ dàng vì không có năng lượng mặt trời đầu vào, do đó, lượng khí thải nhiệt sẽ thoát ra ngoài và chúng tôi dễ dàng thực hiện làm mát bằng bức xạ. Nhưng làm mát ban ngày là một thách thức vì mặt trời đang chiếu sáng. Trong tình huống này, bạn cần tìm ra chiến lược tách hệ thống sưởi bằng năng lượng mặt trời ra khỏi khu vực làm mát”.

Công trình được xây dựng dựa trên nghiên cứu trước đây do phòng thí nghiệm của Gan thực hiện, liên quan đến việc tạo ra một hệ thống hình nón làm mát không cần điện ở những thành phố đông đúc nhằm thích ứng với biến đổi khí hậu.

Haomin Song, Tiến sĩ, trợ lý giáo sư nghiên cứu kỹ thuật điện Trường Kỹ thuật và Khoa học Ứng dụng, bình luận: “Kiến trúc hai mặt mới mang lại mật độ năng lượng làm mát cục bộ kỷ lục vượt quá 280 watt trên một mét vuông. Dưới áp suất khí quyển tiêu chuẩn không có cách ly nhiệt chân không, chúng tôi nhận thấy nhiệt độ giảm 14,5 độ C dưới nhiệt độ môi trường trong môi trường phòng thí nghiệm và hơn 12 độ C trong thử nghiệm ngoài trời bằng hệ thống thí nghiệm đơn giản”.

Gan đánh giá: “Điều quan trọng là hệ thống của chúng tôi không lãng phí năng lượng đầu vào từ mặt trời. Thay vào đó, năng lượng mặt trời được hấp thụ bởi những tấm gương chọn lọc quang phổ mặt trời và nó có thể được sử dụng đun nóng nước bằng năng lượng mặt trời, được sử dụng rộng rãi như một thiết bị tiết kiệm năng lượng ở số nước đang phát triển. Nó có thể duy trì cả hiệu ứng làm nóng bằng năng lượng mặt trời và làm mát bằng bức xạ trong một hệ thống duy nhất mà không cần đến điện. Nó thực sự là một hệ thống băng và lửa ma thuật”.

Nhóm nghiên cứu đang tiếp tục nghiên cứu các cách để cải tiến công nghệ, bao gồm cả việc kiểm tra cách thu đủ năng lượng mặt trời để đun sôi nước, làm cho nó phù hợp để uống.