Nghiên cứu phát triển lớp phủ mái nhà thông minh có khả năng điều hòa nhiệt độ

Khi trời nóng, vật liệu phản xạ ánh sáng Mặt trời và nhiệt độ. Tuy nhiên, tính năng làm mát thông qua phản xạ này tự động ngừng vào mùa đông. Nhờ đó, vật liệu mới giúp giảm mức năng lượng cần dùng để sưởi ấm và làm mát.

Hệ thống làm mát qua phản xạ hoạt động bằng cách hút bức xạ nhiệt ra khỏi tòa nhà và phát tán vào không trung. Do những bước sóng này có thể truyền qua khí quyển, nhiệt lượng sẽ tản vào không gian ngay lập tức. Các phiên bản khác sử dụng bề mặt phản xạ như sơn siêu trắng để phân tán ánh sáng Mặt Trời và nhiệt lượng, giúp tòa nhà mát hơn. Tuy những hệ thống như vậy hoạt động tốt trong việc làm mát nhà vào mùa hè, chúng cũng khiến ngôi nhà lạnh hơn vào mùa đông.

Để giải quyết vấn đề trên, nhóm kỹ sư ở Phòng thí nghiệm Berkeley phát triển lớp phủ tự động chuyển sang giữ nhiệt khi nhiệt độ giảm. Họ gọi vật liệu này là lớp phủ phản xạ tùy chỉnh theo nhiệt độ (TARC). Chìa khóa của công nghệ này là hợp chất kỳ lạ mang tên vanadium dioxide (VO₂). Năm 2017, nhóm nghiên cứu phát hiện đặc điểm khác thường của VO₂. Khi đạt 67°C, vật liệu sẽ dẫn điện nhưng không truyền nhiệt, trái với quy luật vật lý đã biết.
Ý tưởng của nhóm nghiên cứu là khi thời tiết ấm lên, vật liệu sẽ hấp thụ và phản xạ ánh sáng. Nhưng khi thời tiết lạnh, vật liệu sẽ cho phép nhiệt truyền thẳng từ Mặt Trời tới tòa nhà. Các nhà nghiên cứu thử nghiệm với các tấm TARC mỏng cỡ hai centimet vuông, sau đó so sánh với mẫu vật liệu mái màu sẫm và trắng. Họ dùng thiết bị không dây để đo thay đổi ở ánh sáng trực tiếp và nhiệt độ.

TARC hoạt động tốt ngoài dự kiến. Theo kết quả đo, TARC phản xạ khoảng 75% ánh sáng Mặt Trời bất kể thời tiết, nhưng khi nhiệt độ xung quanh trên 30°C, vật liệu tản bớt 90% nhiệt lượng vào không trung. Nếu thời tiết lạnh dưới 15°C, TARC chỉ tản bớt khoảng 20% nhiệt lượng. Sử dụng dữ liệu thu thập được, nhóm nghiên cứu mô phỏng cách TARC hoạt động quanh năm ở 15 vùng khí hậu khác nhau trên khắp nước Mỹ và ước tính một hộ gia đình ở Mỹ có thể tiết kiệm trung bình khoảng 10% tiền điện nhờ sử dụng TARC.

Nhóm nghiên cứu cho biết, TARC có thể điều chỉnh để dùng như vật liệu điều hòa nhiệt độ trên xe hơi, thiết bị điện tử, vệ tinh, thậm chí vải may lều hoặc quần áo. Tiếp theo, các nhà nghiên cứu sẽ tiến hành thí nghiệm sử dụng nguyên mẫu TARC lớn hơn để kiểm tra tính thực tiễn khi dùng vật liệu làm lớp phủ mái nhà.