Các tòa nhà tiêu thụ khoảng 90% điện năng ở Hồng Kông và gây phát thải hơn 60% carbon. Để tiết kiệm năng lượng cho các tòa nhà, hướng tới đạt được các mục tiêu giảm thiểu biến đổi khí hậu, nhóm nghiên cứu tại Đại học Bách khoa Hồng Kông (PolyU) đã phát triển lớp phủ làm mát bức xạ thích ứng (SARC) thân thiện với môi trường hoạt động bằng năng lượng mặt trời để có thể sử dụng cho mái và tường của tòa nhà.

Lớp phủ SARC có thể giảm nhiệt độ bề mặt tòa nhà tới 25 độ C và giảm nhiệt độ trong nhà từ 2 – 3 độ C, mà không tiêu tốn năng lượng. Bên cạnh đó, lớp phủ không độc hại, không chứa kim loại và có độ bền này cũng được sản xuất trên quy mô lớn, mở ra phương pháp thân thiện với môi trường và tiết kiệm năng lượng để giảm thiểu hiệu ứng đảo nhiệt đô thị và hỗ trợ đạt được mục tiêu trung hòa carbon.

Vật liệu làm mát bức xạ thụ động truyền thống không thể tự động điều chỉnh công suất làm mát để ứng phó với những thay đổi môi trường, do đó, các ứng dụng còn hạn chế. Để khắc phục hạn chế này, nhóm nghiên cứu do GS. Lu Lin Vivien tại Khoa Kỹ thuật Môi trường xây dựng và Năng lượng thuộc PolyU, đã tạo ra lớp phủ SARC do các chấm carbon (CD) điều khiển, có thể điều chỉnh công suất làm mát dựa trên bức xạ mặt trời. Lớp phủ nano làm mát bức xạ phát quang mới chuyển đổi năng lượng mặt trời thành năng lượng ánh sáng. Khi cường độ ánh nắng mặt trời tăng lên, khả năng phản xạ của lớp phủ được tăng cường, ngăn không cho các tòa nhà hấp thụ nhiệt quá mức.

Ngoài ra, vật liệu làm mát truyền thống thường dựa vào kim loại đất hiếm và vật liệu perovskite, gây rủi ro cho môi trường. Với lớp phủ SARC, nhóm nghiên cứu đã sử dụng các chấm carbon gốc polyme thân thiện với môi trường làm vật liệu phát quang trong lớp phủ làm mát bức xạ.

Chấm carbon kích thước nano được nhúng vào polyme để tạo ra vật liệu vô hại về mặt sinh học và được phủ đều lên các hạt thủy tinh rỗng để tạo nên các hạt làm mát thông minh, cho phép lớp phủ chuyển đổi hiệu quả ánh sáng cực tím thành các photon ánh sáng khả kiến ​​và tăng khả năng phản xạ năng lượng mặt trời hiệu quả. Lớp phủ SARC hòa tan trong nước chỉ cần nước bốc hơi sẽ tạo thành lớp phủ trên bề mặt tòa nhà mà không giải phóng bất kỳ hợp chất hữu cơ dễ bay hơi nào, do đó giảm ô nhiễm không khí.

Kết quả cho thấy so với lớp phủ làm mát bức xạ thông thường, lớp phủ SARC mới đã cải thiện khả năng phản xạ năng lượng mặt trời hiệu quả vào ban ngày từ 92,5% lên 95% và tăng hiệu ứng làm mát từ 10% đến 20%. Ví dụ, lớp phủ làm giảm tới 25 độ C khi dùng cho mái bê tông.

Trong một dự án trình diễn, nhóm nghiên cứu đã sử dụng lớp phủ SARC trên mái nhà container tại một công trường xây dựng ở Hồng Kông. Sau khoảng hai năm rưỡi liên tục tiếp xúc ngoài trời, mái nhà phủ vẫn mát hơn 24 độ C so với mái bê tông trong điều kiện tiếp xúc với ánh nắng mặt trời. Lớp phủ rất bền, với độ phản xạ ánh nắng mặt trời giảm gần 2% trong hai năm. Do đó, tỷ lệ tiết kiệm điện năng hàng năm là 10% do giảm tải sử dụng điều hòa nhiệt độ.

Bằng cách lập bản đồ nhiệt độ giảm trung bình hàng năm và công suất làm mát trong các vùng khí hậu khác nhau ở Trung Quốc đại lục, nhóm nghiên cứu đã quan sát thấy bức xạ càng mạnh thì lớp phủ SARC mới đạt được mức chênh lệch nhiệt độ càng lớn. Ví dụ, tại Hồng Kông và 10 thành phố của Trung Quốc đại lục gồm có Bắc Kinh, Hàng Châu, Quảng Châu, Trường Sa, Hotan ở Tân Cương, Thẩm Dương, Quế Lâm, Phúc Châu, Trùng Khánh và Lan Châu, việc sử dụng lớp phủ làm mát mới cho các tòa nhà theo tính toán ​​sẽ tiết kiệm từ 97 đến 136 kWh/m² điện hàng năm cho mỗi thành phố.

GS. Lu cho rằng: "Khi tình trạng nóng lên toàn cầu gia tăng và các sự kiện thời tiết khắc nghiệt như nắng nóng diễn ra thường xuyên hơn, cộng đồng khoa học chú trọng tìm cách làm mát các tòa nhà trong khi giảm thiểu tiêu thụ năng lượng. Lớp phủ SARC mới được chứng minh đạt hiệu suất làm mát vượt trội và phù hợp với nhiều môi trường khí hậu, do đó thúc đẩy phát triển các vật liệu làm mát thế hệ mới. Lớp phủ hòa tan trong nước cũng có thể được sản xuất với nhiều màu sắc khác nhau, cho phép dễ dàng sử dụng cho mái nhà, tường, đường bộ và bề mặt đô thị, bằng cách sử dụng con lăn sơn. Lớp phủ vừa có thể làm mát, lại vừa có tính thẩm mỹ, đồng thời cung cấp giải pháp triển vọng cho sự phát triển đô thị bền vững và giảm thiểu hiệu ứng đảo nhiệt đô thị".

Nhóm nghiên cứu cũng đã tích hợp lớp phủ phát quang vào tấm pin mặt trời hai mặt để thực hiện đồng thời quản lý nhiệt và phát điện, biến các tòa nhà từ nơi tiêu thụ năng lượng thành nơi thu năng lượng. Các tác giả dự kiến lắp đặt các tấm pin mặt trời hai mặt trên mái nhà của Ký túc xá của Đại học Bách khoa Hồng Kông đang được xây dựng để tăng cường phát điện trong khi vẫn làm mát cho các tòa nhà.

Nhóm nghiên cứu hy vọng hệ thống chức năng kép này sẽ tăng công suất phát điện từ 30-50% và giảm 30% phát thải khí thải carbon so với các mái nhà bình thường. Việc lắp đặt tấm pin mặt trời hai mặt trên mái nhà ký túc xá có diện tích khoảng 600 m2 có thể sản xuất được 97.000 kWh điện, giúp tiết kiệm chi phí hàng năm hơn 120.000 đô la Hồng Kông. Ngoài ra, các nhà khoa học cũng đang phát triển lớp phủ làm mát bức xạ tự thích ứng gốc parafin để duy trì khả năng phản xạ năng lượng mặt trời thích hợp nhằm ứng phó với thời tiết nóng và lạnh, đạt được hiệu quả giữ ấm vào mùa đông và làm mát vào mùa hè.

N.P.D (NASATI), theo Techxplore, 10/2024