Khoa học kỹ thuật và công nghệ

Màng trong suốt loại bỏ 70% nhiệt mặt trời đi đến (22/11/2018)

Các kỹ sư tại Viện Công nghệ Massachusetts (MIT) đã tạo ra một màng khử nhiệt dùng cho cửa sổ tòa nhà để phản xạ tới 70% nhiệt mặt trời đi đến. Loại màng mới có thể duy trì độ trong suốt cao khi nhiệt độ dưới 320C. Trên mức nhiệt này, màng hoạt động như một "hệ thống tự động" khử nhiệt. Theo ước tính, nếu tất cả các cửa sổ trong tòa nhà hướng ra ngoài được phủ màng khử nhiệt, thì chi phí năng lượng và điều hòa cho tòa nhà có thể giảm đến 10%.

Các nhà nghiên cứu MIT đã phát triển một lớp phủ cho các cửa sổ loại bỏ tới 70% nhiệt mặt trời đến. Ảnh: Viện Công nghệ Massachusetts.

Màng loại bỏ nhiệt tương tự như màng bọc thực phẩm trong suốt, có các tính chất khử nhiệt bắt nguồn từ các vi hạt nhỏ được gắn bên trong. Những vi hạt này được làm từ một loại vật liệu thay đổi pha, co lại khi tiếp xúc với nhiệt độ từ khoảng 29 độ C trở lên. Trong các cấu hình nhỏ hơn, các vi hạt khiến cho màng trong suốt mờ hơn.

Màng gắn vào các cửa sổ trong điều kiện thời tiết mùa hè, có thể làm mát một cách thụ động cho tòa nhà trong khi vẫn cho phép một lượng ánh sáng vừa đủ đi qua. Nicholas Fang, giáo sư kỹ thuật cơ khí tại MIT, cho rằng vật liệu này cung cấp một giải pháp thay thế hiệu quả và tiết kiệm năng lượng cho các công nghệ cửa sổ thông minh hiện có.

GS. Fang cho rằng: “Cửa sổ thông minh trên thị trường hiện có hoặc không hiệu quả trong việc khử nhiệt mặt trời hoặc giống như một số cửa sổ điện sắc (electrochromic), cần nhiều năng lượng hơn để hoạt động. Chúng tôi nghĩ rằng vật liệu và lớp phủ quang học mới có triển vọng cung cấp các lựa chọn cửa sổ thông minh hiệu quả hơn".

“Lưới đánh cá trong nước”

Cách đây hơn 1 năm, GS.Fang đã cộng tác với các nhà nghiên cứu tại trường Đại học Hồng Kông để tìm cách giảm thiểu sử dụng năng lượng của các tòa nhà trong thành phố, đặc biệt là trong những tháng mùa hè, khi các khu vực này nổi tiếng nóng và việc sử dụng điều hòa tăng cao đỉnh điểm.

"Giải quyết thách thức này rất quan trọng đối với khu đô thị như Hồng Kông, nơi đang đặt ra thời hạn nghiêm ngặt về tiết kiệm năng lượng", GS. Fang đề cập đến cam kết của Hồng Kông giảm 40% năng lượng sử dụng vào năm 2025.

Sau một vài tính toán nhanh, nhóm nghiên cứu đã phát hiện thấy phần lớn nhiệt của tòa nhà đi qua cửa sổ dưới dạng ánh nắng mặt trời.

"Trên mỗi mét vuông, khoảng 500W năng lượng dưới dạng nhiệt được đưa vào bởi ánh nắng mặt trời qua một cửa sổ", GS. Fang nói. "Công suất đó tương đương với khoảng 5 bóng đèn".

Các nhà khoa học đã nghiên cứu tài liệu về vật liệu điện sắc - vật liệu nhạy với nhiệt độ tạm thời thay đổi pha hoặc màu sắc để đáp ứng với nhiệt. Cuối cùng, nhóm nghiên cứu đã tìm ra một vật liệu được làm từ các hạt poly (N-isopropylacrylamide) -2-Aminoethylmethacrylate hydrochloride. Các vi hạt này trông giống như những quả cầu nhỏ, trong suốt và có nhiều sợi. Ở nhiệt độ khoảng 29 độ C hoặc cao hơn, các quả cầu về cơ bản bị ép nước và thu nhỏ thành các bó sợi chặt phản xạ ánh sáng theo cách khác biệt, biến vật liệu thành dạng mờ.

"Nó giống như lưới đánh cá trong nước", GS. Fang nói. “Mỗi bó sợi tạo ra lưới, phản xạ một lượng ánh sáng nhất định. Nhưng vì có rất nhiều nước ngấm vào lưới đánh cá, nên khó nhìn thấy mỗi sợi. Nhưng khi bạn ép nước ra, sợi lại trở nên hữu hình".

Trong các thí nghiệm trước đây, các nhóm khác đã phát hiện ra rằng dù các hạt co lại có thể khử ánh sáng tương đối tốt, nhưng ít khả năng cản nhiệt. Nhóm nghiên cứu đã phát hiện ra rằng giới hạn này đã giảm xuống kích thước hạt: Các hạt được sử dụng trước đây đã 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, các nhà khoa học đã mở rộng chuỗi phân tử của từng vi hạt. Do đó, khi co lại để phản ứng với nhiệt, đường kính của hạt rơi vào khoảng 500 nanomet, mà GS. Fang cho rằng "tương thích hơn với quang phổ hồng ngoại của ánh sáng mặt trời".

Sự khác biệt

Các nhà nghiên cứu đã tạo ra dung dịch, bao gồm các vi hạt cản nhiệt được đặt giữa hai tấm kính cỡ 12 inch x 12 inch để tạo ra cửa sổ phủ màng. Các nhà khoa học chiếu ánh sáng từ bộ mô phỏng năng lượng mặt trời lên cửa sổ để mô phỏng ánh nắng mặt trời đi đến và phát hiện thấy màng đã chuyển sang dạng sương giá để phản ứng với nhiệt. Khi đo bức xạ mặt trời truyền qua phía bên kia của cửa sổ, các nhà nghiên cứu nhận thấy màng loại bỏ 70% lượng nhiệt do đèn phát ra.

Nhóm nghiên cứu cũng lót vào trong buồng đo nhiệt lượng nhỏ một màng khử nhiệt và đo nhiệt độ bên trong buồng khi chúng chiếu sáng từ bộ mô phỏng năng lượng mặt trời qua màng. Nếu không có màng, nhiệt độ bên trong được làm nóng đến khoảng 38,9 độ C. Với màng, buồng bên trong vẫn ở mức 33,9 độ C.

Trong tương lai, nhóm nghiên cứu dự kiến thực hiện nhiều thử nghiệm đối với màng để xem liệu việc điều chỉnh công thức và áp dụng theo những cách khác có thể cải thiện tính chất cản nhiệt.

Nguồn: N.P.D (NASATI)/www.vista.gov.vn

Cập nhật: 19/11/2018