Phương pháp mới làm mát mà không cần điện

Các nhà nghiên cứu tại Viện Công nghệ Massachusetts (MIT) đã tìm ra một phương pháp mới để làm mát vào ngày nóng bằng cách sử dụng vật liệu giá rẻ và không cần nguồn điện sản sinh từ nhiên liệu hóa thạch. Hệ thống thụ động này có thể được sử dụng bổ sung cho các hệ thống làm mát khác để bảo quản thực phẩm và thuốc trong các địa điểm nóng nằm ngoài lưới điện. Nghiên cứu đã được công bố trên tạp chí Nature Communications.

Hệ thống cho phép phát xạ nhiệt trong phạm vi ánh sáng hồng ngoại trung có thể truyền thẳng qua khí quyển và tỏa vào trong bầu không khí của không gian bên ngoài, xuyên qua các khí hoạt động giống như nhà kính. Để tránh hiện tượng làm nóng trong ánh sáng mặt trời trực tiếp, một dải kim loại nhỏ treo trên thiết bị sẽ ngăn chặn các tia nắng trực tiếp từ mặt trời.

Về lý thuyết, hệ thống được thiết kế có thể làm mát 20 độ C, thấp hơn nhiệt độ môi trường xung quanh tại địa điểm như Boston. Cho đến nay, trong thử nghiệm ban đầu, các nhà khoa học đã đạt khả năng làm mát 6 độ C. Đối với các ứng dụng yêu cầu làm mát sâu hơn, phần còn lại có thể đạt được thông qua các hệ thống làm lạnh thông thường hoặc làm mát bằng nhiệt điện.

Các nhóm nghiên cứu khác đã cố gắng thiết kế những hệ thống làm mát thụ động tỏa nhiệt dưới dạng các bước sóng hồng ngoại trung, nhưng hệ thống này dựa vào các thiết bị quang tử phức tạp được biến đổi khá tốn kém và không sẵn sàng để sử dụng trên diện rộng. Các thiết bị rất phức tạp vì chúng được thiết kế để phản xạ tất cả các bước sóng của ánh nắng mặt trời gần như hoàn hảo và chỉ phát ra bức xạ trong dải hồng ngoại trung. Sự kết hợp của phản xạ và phát xạ có chọn lọc cần có vật liệu nhiều lớp, trong đó, độ dày của các lớp được kiểm soát đến độ chính xác cỡ nanomet.

Nhưng rõ ràng tính chọn lọc tương tự có thể đạt được bằng cách chỉ ngăn chặn ánh nắng mặt trời trực tiếp bằng một dải hẹp đặt ở góc phải để che đường đi của mặt trời trên bầu trời, nên không cần đến thiết bị theo dõi hoạt động. Sau đó, một thiết bị đơn giản được chế tạo từ sự kết hợp của màng nhựa giá rẻ, nhôm đánh bóng, sơn trắng và lớp cách nhiệt có thể cho phép phát xạ nhiệt cần thiết thông qua bức xạ hồng ngoại trung. Đó là cách mà hầu hết các vật thể tự nhiên nguội đi, dù ngăn thiết bị khỏi bị nóng do ánh nắng mặt trời trực tiếp. Trên thực tế, các hệ thống làm mát bức xạ đơn giản đã được sử dụng từ thời cổ đại để đạt được khả năng làm mát vào ban đêm. Vấn đề là các hệ thống này không hoạt động vào ban ngày vì hiệu ứng nhiệt của ánh nắng mặt trời mạnh hơn ít nhất 10 lần hiệu ứng làm mát tối đa có thể đạt được.

Tuy nhiên, những tia nắng nóng của mặt trời di chuyển theo các đường thẳng và dễ bị chặn lại như khi gặp bóng cây vào mùa hè. Nhờ che mát thiết bị bằng cách đặt một chiếc ô ở phía trên và bổ sung vật liệu cách nhiệt xung quanh thiết bị để bảo vệ nó khỏi nhiệt độ không khí xung quanh, các nhà nghiên cứu đã làm cho việc làm mát thụ động trở nên khả thi hơn.

Theo Arny Leroy, một yếu tố cản trở hệ thống là độ ẩm trong khí quyển, có thể chặn phần nào phát xạ hồng ngoại trong không khí. Ở một nơi như Boston, gần biển và tương đối ẩm ướt, điều này giới hạn khả năng làm mát ở mức khoảng 20 độ C. Nhưng trong môi trường khô hạn hơn chẳng hạn như vùng Tây Nam Hoa Kỳ hoặc nhiều sa mạc hay môi trường khô cằn trên thế giới, khả năng làm mát tối đa thực sự sẽ lớn hơn nhiều, có thể là 40 độ C.

Dù hầu hết các nghiên cứu về làm mát bằng bức xạ đã tập trung vào các hệ thống lớn hơn có thể được áp dụng để làm mát toàn bộ các phòng hoặc tòa nhà, nhưng cách tiếp cận này được khoanh vùng. Điều này sẽ hữu ích cho các ứng dụng làm lạnh như lưu trữ thực phẩm hoặc vắc xin khỏi bị hỏng như trong điều kiện nhiệt đới nóng.

Hệ thống này cũng có thể có ích cho một số loại hệ thống quang điện tập trung, nơi các tấm gương được sử dụng để thu ánh nắng mặt trời vào một pin mặt trời để tăng hiệu suất của pin. Nhưng các hệ thống này dễ trở nên quá nóng và thường cần quản lý nhiệt tích cực nhờ chất lỏng và máy bơm. Thay vào đó, mặt sau của các hệ thống thu ánh nắng có thể được trang bị những bề mặt phát xạ hồng ngoại trung dùng cho hệ thống làm mát thụ động và có thể kiểm soát nhiệt mà không cần bất kỳ can thiệp tích cực nào.

Để cải tiến hệ thống, thì thách thức lớn nhất đối với các nhà nghiên cứu là tìm cách cải thiện khả năng cách nhiệt của thiết bị để ngăn chặn hiện tượng quá nóng do không khí môi trường xung quanh, trong khi không ngăn tỏa nhiệt.

Nhóm nghiên cứu đã xin cấp sáng chế cho hệ thống và hy vọng sẽ nhanh chóng tìm thấy các ứng dụng trong thực tế.

N.P.D (NASATI), theo http://news.mit.edu/2018/device-provides-cooling-without-power-1128, 11/2018