Phát minh chưa từng có của Mỹ: tạo vật liệu thay luôn điều hòa nhiệt độ, có thể làm rung chuyển ngành xây dựng và năng lượng

Các nhà nghiên cứu tại Đại học Texas (Mỹ) vừa công bố một bước đột phá trong lĩnh vực vật liệu xây dựng, khi phát triển thành công một loại vật liệu làm từ gỗ có khả năng điều hòa nhiệt độ cho tòa nhà mà không cần sử dụng điện. Công nghệ này được kỳ vọng sẽ mở ra hướng đi mới cho các giải pháp làm mát và sưởi ấm tiết kiệm năng lượng, trong bối cảnh nhu cầu điều hòa không khí toàn cầu ngày càng tăng.

Vật liệu mới dựa trên nguyên lý lưu trữ năng lượng nhiệt thông qua công nghệ chuyển pha (Phase Change Materials – PCM). Thay vì phụ thuộc vào các hệ thống điều hòa hay sưởi ấm truyền thống, vật liệu này có thể hấp thụ nhiệt dư thừa vào ban ngày và giải phóng nhiệt trở lại vào ban đêm, giúp duy trì nhiệt độ ổn định trong không gian sống.

“Vật liệu của chúng tôi hoạt động giống như một ‘pin nhiệt’, tích trữ năng lượng khi hấp thụ nhiệt,” Tiến sĩ Shuang (Cynthia) 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.

Theo nhóm nghiên cứu, lưu trữ năng lượng nhiệt đóng vai trò như một cầu nối giữa cung và cầu năng lượng. Khi được tích hợp vào vật liệu xây dựng, công nghệ chuyển pha cho phép các tòa nhà tự điều tiết nhiệt độ một cách thụ động, từ đó giảm đáng kể nhu cầu sử dụng điện cho các hệ thống sưởi và làm mát chủ động.

Về nguyên lý, các vật liệu chuyển pha sẽ hấp thụ nhiệt trong quá trình nóng chảy và giải phóng nhiệt khi đông đặc. Vào mùa hè, chúng có thể “hút” nhiệt từ môi trường bên ngoài, làm chậm quá trình tăng nhiệt trong phòng. Ngược lại, vào ban đêm hoặc trong điều kiện lạnh hơn, lượng nhiệt tích trữ sẽ được giải phóng, giúp không gian trong nhà ấm hơn.

“Nếu một tòa nhà được tích hợp đủ lượng vật liệu chuyển pha, trong một số điều kiện, thậm chí có thể không cần bật điều hòa,” Tiến sĩ Cui nhận định.

Dù vật liệu PCM đã được nghiên cứu trong nhiều năm, việc ứng dụng thực tế luôn gặp trở ngại lớn do hiện tượng rò rỉ. Khi chuyển từ trạng thái lỏng sang rắn, các vật liệu này dễ bị chảy, gây khó khăn cho việc sử dụng lâu dài trong xây dựng. Các giải pháp truyền thống thường bao bọc PCM trong một vật liệu chủ, nhưng cách làm này lại làm tăng trọng lượng, chiếm không gian và làm giảm hiệu quả lưu trữ nhiệt.

Thiết kế này giúp cố định vật liệu tích nhiệt tại chỗ, ngăn hiện tượng rò rỉ trong quá trình nóng chảy, đồng thời tăng cường độ bền cơ học cho vật liệu gỗ. Trong các thử nghiệm phòng thí nghiệm, vật liệu mới đã trải qua 1.000 chu kỳ gia nhiệt và làm nguội liên tiếp mà không xuất hiện rò rỉ hay suy giảm cấu trúc.

“Không giống nhiều vật liệu lưu trữ năng lượng khác phải đánh đổi độ bền, vật liệu composite chuyển pha dựa trên khuôn gỗ này vẫn duy trì được tính toàn vẹn cơ học sau nhiều chu kỳ nhiệt,” Tiến sĩ Hongbing Lu, đồng tác giả nghiên cứu, cho biết.

Theo các nhà khoa học, phát minh này không chỉ góp phần giảm tiêu thụ điện năng cho các tòa nhà mà còn mở ra tiềm năng ứng dụng rộng rãi trong kiến trúc xanh và phát triển đô thị bền vững trong tương lai.

Theo IE, cAFEF