Phát minh mới: Hỗn hợp gốm giúp các tòa cao ốc mát mẻ và tiết kiệm điện

Khi thế giới tiếp tục ấm lên, các nhà khoa học đang khẩn trương tìm cách làm mát các tòa nhà mà không phải sử dụng nhiều năng lượng vì năng lượng để chạy các thiết bị làm mát rất lớn. Hơn nữa, các thiết bị làm mát cũng tạo ra lượng khí nhà kính khổng lồ khiến bầu khí quyển bị tác động kép.

Một trong những vật liệu mới nhất có tác dụng làm mát là hỗn hợp gốm làm mát siêu trắng với hiệu quả kỷ lục đã được phát triển bởi các nhà nghiên cứu từ Đại học Thành phố Hồng Kông (CityU).

Nó được gọi là vật liệu làm mát bức xạ thụ động (PRC) và có thể đạt tới độ phản xạ ánh sáng mặt trời gần như hoàn hảo, đến 99,6% và đây là một kỷ lục đối với loại vật liệu này.

Nhóm nghiên cứu về gốm làm mát cho biết, vật liệu này có thể loại bỏ đến hơn 130 watt năng lượng nhiệt trên mỗi mét vuông khi Mặt trời ở mức cao nhất, mang lại hiệu quả làm mát đáng kể. Cụ thể,  qua thí nghiệm, nhóm xác định việc lát gốm trên mái nhà sẽ làm giảm 20% điện năng cần dùng cho làm mát.

Kỹ sư cơ khí Edwin Tso Chi-yan từ City University of Hong Kong cho biết: “Gốm làm mát của chúng tôi có các đặc tính quang học tiên tiến và có khả năng ứng dụng rất cao”.

Tính độc đáo của vật liệu mới đến từ cấu trúc xốp được thiết lập từ nguyên tố vô cơ thông thường như nhôm oxide. Để sáng tạo ra vật liệu này, các nhà nghiên cứu lấy cảm hứng từ loài bọ Cyphochilus, loài côn trùng có vảy trắng sáng bao phủ cơ thể. Giống như vảy của bọ cánh cứng, gốm sử dụng cấu trúc nano có các lỗ có kích thước tương tự với các bước sóng khác nhau của ánh sáng mặt trời, nghĩa là hầu hết tất cả chúng đều bị phản xạ trở lại thay vì bị hấp thụ dẫn đến tích nhiệt. 

Không chỉ vậy, gốm còn đạt được mức phát xạ nhiệt hồng ngoại ở mức trung cao (chính xác là 96,5%) hay nói cách khác là gần như toàn bộ nội nhiệt sinh ra bên trong tòa nhà đều thoát ra không gian ngoài mà không bị ủ bên trong.

Tựu chung lại, vật liệu này đạt điểm cao về khả năng phản xạ ánh sáng mặt trời, đồng thời lại cho phép nhiệt thoát ra ngoài. Nhờ lợi ích kép đó mà nó góp phần làm tòa nhà được mát thụ động.

Chưa hết, loại gốm này còn khắc phục được một số vấn đề cố hữu với các vật liệu làm mát hiện có trên thị trường, như khả năng chống chịu thời tiết kém. Trên thực tế, nó có thể chịu được nhiệt độ rất cao, điều mà các nhà thiết kế và kỹ sư xây dựng đặc biệt quan tâm khi xây dựng cao ốc. Chịu nhiệt kém chính là điểm yếu của các vật liệu làm mát thông thường nhưng loại gốm này lại không sợ lửa.

Tso giải thích: “Gốm làm từ nhôm oxide đem lại khả năng chống tia cực tím - mối quan tâm hàng đầu khi thiết kế vật liệu bức xạ thụ động dựa trên polymer. Vật liệu cũng sở hữu tính năng chống cháy vượt trội nhờ chịu được nhiệt độ vượt quá 1.000°C”.

Điều đặc biệt và thiết thực nhất, vật liệu này tương đối dễ làm và rẻ tiền, bền mà lại linh hoạt. Quá trình chế tạo cũng chỉ gồm hai công đoạn cơ bản là đảo pha (thay đổi nhiệt độ cố định) và thiêu kết (nén vật liệu để tạo thành khối rắn bằng nhiệt hoặc áp suất mà không nung chảy đến điểm hóa lỏng).

Chi phí thấp cùng độ bền khiến gốm làm mát trở thành ứng viên sáng giá để thương mại hóa và đưa vào áp dụng trong nhiều lĩnh vực, nhưng trong tương lai gần thì ngành xây dựng sẽ cần loại vật liệu này nhất bởi tình trạng nóng lên toàn cầu ngày một trầm trọng.

Các nhà nghiên cứu cho biết, loại gốm thích hợp để thi công trên các tòa nhà ở mọi điều kiện thời tiết và khí hậu. Ý tưởng về cách thức làm là nó được ốp trên mái và tường của các tòa nhà để giữ cho không gian bên trong mát hơn so với việc dùng vật liệu thông thường. Khi nhiệt độ bên trong mát hơn nhờ vật liệu mới, lượng điện năng tiêu thụ cho máy lạnh sẽ giảm đi, đồng thời khí độc thải ra từ các thiết bị làm mát cũng giảm đi.

Tso cho biết: “Giá trị của gốm làm mát là nó đáp ứng các yêu cầu cho các đòi hỏi về vật liệu làm mát hiệu suất cao và khả năng áp dụng trong môi trường thực tế”.

Một nghiên cứu thứ hai cũng vừa được công bố, trong đó trình bày chi tiết về vật liệu thủy tinh làm mát – giống như gốm – có hiệu quả cao cả về bức xạ nhiệt và phản xạ ánh sáng mặt trời. Một lần nữa, độ bền và tính linh hoạt của vật liệu mới là điều đáng chú ý.

Có thể thấy những nỗ lực tìm vật liệu mới gần đây đều để phục vụ mục tiêu giảm nhu cầu sử dụng máy điều hòa không khí suốt cả ngày. Chỉ cần chọn vật liệu phù hợp cho bề mặt tòa nhà, chúng ta có thể cắt giảm đáng kể mức sử dụng năng lượng và nhiệt độ trong nhà. Công việc thử nghiệm loại PRC này vẫn đang tiếp tục để tìm ra những vật liệu hiệu quả và phù hợp hơn nữa.

Anh Tú