Điểm chạm của Thiết kế, Sáng tạo & Kiến tạo Không gian
Phát minh chưa từng có của Mỹ trong lĩnh vực vật liệu xây dựng đang thu hút sự chú ý lớn của giới khoa học và ngành năng lượng. Các nhà nghiên cứu tại Đại học Texas vừa công bố một loại vật liệu mới làm từ gỗ, có khả năng tự điều hòa nhiệt độ cho tòa nhà mà không cần sử dụng điện. Nếu được ứng dụng rộng rãi, công nghệ này có thể làm thay đổi cách con người làm mát và sưởi ấm không gian sống, đồng thời giảm đáng kể nhu cầu sử dụng điều hòa không khí và năng lượng truyền thống.
Trong bối cảnh nhu cầu làm mát toàn cầu ngày càng tăng do đô thị hóa và biến đổi khí hậu, điều hòa không khí đang trở thành một trong những thiết bị tiêu thụ điện lớn nhất. Điều này kéo theo áp lực ngày càng nặng nề lên hệ thống năng lượng và phát thải khí nhà kính. Chính vì vậy, việc phát triển các giải pháp làm mát thụ động, không cần điện, đang được xem là hướng đi chiến lược cho ngành xây dựng bền vững.
Vật liệu mới của nhóm nghiên cứu Đại học Texas dựa trên nguyên lý lưu trữ năng lượng nhiệt thông qua công nghệ chuyển pha. Thay vì chủ động làm lạnh hay sưởi ấm bằng máy móc, vật liệu này có thể tự hấp thụ nhiệt dư thừa khi nhiệt độ môi trường tăng cao và giải phóng lượng nhiệt đó khi nhiệt độ giảm. Nhờ vậy, nhiệt độ trong không gian sống được duy trì ở mức ổn định hơn trong suốt ngày và đêm.
Tiến sĩ Shuang Cui, trợ lý giáo sư kỹ thuật cơ khí tại Trường Kỹ thuật và Khoa học Máy tính Erik Jonsson, Đại học Texas, cho biết vật liệu này hoạt động tương tự như một pin nhiệt. Khi hấp thụ nhiệt, nó tích trữ năng lượng và giải phóng năng lượng đó khi cần thiết. Theo bà, lưu trữ năng lượng nhiệt đóng vai trò như cầu nối giữa cung và cầu năng lượng, đặc biệt khi được tích hợp trực tiếp vào kết cấu của tòa nhà.
Về mặt nguyên lý, các vật liệu chuyển pha sẽ hấp thụ nhiệt trong quá trình nóng chảy và giải phóng nhiệt khi đông đặc. Vào ban ngày hoặc trong mùa hè, vật liệu có thể hấp thụ một phần nhiệt từ môi trường xung quanh, giúp làm chậm quá trình tăng nhiệt trong không gian bên trong. Khi đêm xuống hoặc nhiệt độ môi trường giảm, lượng nhiệt đã tích trữ sẽ được giải phóng dần, giúp không gian trong nhà ấm hơn mà không cần đến hệ thống sưởi.
Theo nhận định của nhóm nghiên cứu, nếu một tòa nhà được tích hợp đủ lượng vật liệu chuyển pha trong các bộ phận như tường, trần hoặc sàn, thì trong một số điều kiện khí hậu nhất định, nhu cầu bật điều hòa nhiệt độ có thể được giảm mạnh, thậm chí không cần sử dụng.
Trên thực tế, vật liệu chuyển pha không phải là khái niệm hoàn toàn mới. Chúng đã được nghiên cứu trong nhiều năm qua, nhưng việc ứng dụng vào xây dựng luôn gặp rào cản lớn là hiện tượng rò rỉ. Khi chuyển sang trạng thái lỏng, vật liệu tích nhiệt có xu hướng chảy ra ngoài, làm giảm hiệu quả sử dụng và gây khó khăn cho việc duy trì lâu dài trong các kết cấu xây dựng.
Các giải pháp truyền thống thường bao bọc vật liệu chuyển pha trong một lớp vật liệu khác để ngăn rò rỉ. Tuy nhiên, cách làm này lại làm tăng trọng lượng, chiếm thêm không gian và làm giảm hiệu quả lưu trữ nhiệt. Nhóm nghiên cứu tại Đại học Texas đã khắc phục điểm yếu này bằng cách sử dụng cấu trúc gỗ như một khuôn tự nhiên, giúp cố định vật liệu chuyển pha ngay tại chỗ.
Thiết kế dựa trên khuôn gỗ không chỉ ngăn hiện tượng rò rỉ khi vật liệu nóng chảy, mà còn cải thiện độ bền cơ học tổng thể của vật liệu. Trong các thử nghiệm trong phòng thí nghiệm, vật liệu mới đã trải qua một nghìn chu kỳ gia nhiệt và làm nguội liên tiếp mà không xuất hiện dấu hiệu suy giảm cấu trúc hay rò rỉ nhiệt.
Tiến sĩ Hongbing Lu, đồng tác giả của nghiên cứu, cho biết không giống nhiều vật liệu lưu trữ năng lượng khác phải đánh đổi giữa hiệu suất và độ bền, vật liệu composite chuyển pha dựa trên gỗ này vẫn duy trì được tính toàn vẹn cơ học sau nhiều chu kỳ nhiệt. Đây được xem là yếu tố then chốt để công nghệ có thể tiến gần hơn tới ứng dụng thực tế.
Theo đánh giá của các nhà khoa học, phát minh này không chỉ giúp giảm đáng kể lượng điện tiêu thụ cho làm mát và sưởi ấm, mà còn mở ra tiềm năng lớn cho kiến trúc xanh, đô thị thông minh và phát triển bền vững trong tương lai. Nếu được thương mại hóa, vật liệu này có thể trở thành một phần quan trọng trong các công trình xây dựng thế hệ mới, nơi bản thân vật liệu đã tham gia trực tiếp vào việc quản lý năng lượng.
