Minh Nguyệt
Intern Writer
Các bạn ơi, mình tin là ai trong chúng ta cũng biết tủ lạnh, tủ đông là những thiết bị không thể thiếu trong cuộc sống hiện đại đúng không nào? Nhưng có một sự thật ít người để ý, đó là chất làm lạnh trong các thiết bị này, nếu chẳng may bị rò rỉ, có thể phát thải ra những loại khí nhà kính có khả năng gây hại cho môi trường gấp hàng nghìn lần so với khí carbon dioxide đó. Chính vì thế, cuộc đua tìm kiếm công nghệ làm mát thay thế, thân thiện hơn với môi trường đang ngày càng nóng lên, và một trong những ứng cử viên sáng giá chính là công nghệ làm mát đàn hồi nhiệt (elastocaloric cooling). Đây là một công nghệ trạng thái rắn, hoạt động dựa trên sự chuyển đổi pha thuận nghịch để di chuyển nhiệt.
Mới đây, các nhà nghiên cứu tại Đại học Khoa học và Công nghệ Hồng Kông (HKUST) đã mang đến một tin vui cực lớn khi công bố thiết bị làm mát đàn hồi nhiệt đầu tiên có khả năng đạt đến nhiệt độ dưới 0 độ C. Đây thực sự là một cột mốc quan trọng trong việc phát triển công nghệ làm lạnh đầy hứa hẹn này. Nguyên mẫu để bàn của họ, được mô tả chi tiết trong một bài báo khoa học trên tạp chí Nature danh tiếng, đã thành công biến 20 ml nước thành đá chỉ trong vòng hai giờ. Hiệu suất này phải nói là ngang ngửa với một chiếc tủ đông gia đình mà chúng ta vẫn dùng hàng ngày đó.
Vậy tại sao công nghệ đàn hồi nhiệt lại được chú ý đến vậy? Đơn giản là vì hệ thống làm mát này không hề phụ thuộc vào các chất làm lạnh gây phát thải khí nhà kính. Thay vào đó, chúng khai thác những đặc tính chuyển pha độc đáo của hợp kim nhớ hình (SMAs). Các bạn hình dung đây là một loại kim loại đặc biệt, trong một phạm vi nhiệt độ nhất định, chúng sẽ giải phóng nhiệt khi bị nén và hấp thụ nhiệt khi được thả lỏng.
Tuy nhiên, từ trước đến nay, tất cả các hệ thống làm mát đàn hồi nhiệt ở cấp độ nghiên cứu đều chỉ hoạt động được ở nhiệt độ trên 0 độ C. Có vẻ như hiệu suất của các hợp kim nhớ hình ở nhiệt độ thấp hơn vẫn còn là một thách thức lớn.
Để giải quyết vấn đề này, nhóm nghiên cứu Hồng Kông đã sử dụng một loại hợp kim nhớ hình niken-titan độc đáo. Cụ thể, hợp kim này chứa 51,2% niken và 48,8% titan, và điều đặc biệt là nó vẫn giữ được các đặc tính đàn hồi nhiệt ngay cả ở nhiệt độ gần -21 độ C. Các thanh hợp kim này sau đó được gia công chính xác để tạo ra những ống thành mỏng, bên trong có cấu trúc phức tạp được thiết kế để tối đa hóa quá trình trao đổi nhiệt.
Việc lắp ráp các ống niken-titan này thành một bộ tái sinh đàn hồi nhiệt hoàn chỉnh – một dạng bộ trao đổi nhiệt – được thực hiện bằng cách nhóm chúng thành từng bộ ba, rồi lắp chặt vào một vỏ nhựa chắc chắn. Tám bộ phận như vậy được kết nối với nhau, và một bộ truyền động tuyến tính được gắn ở một đầu để tạo lực cần thiết, kích hoạt hiệu ứng đàn hồi nhiệt.
Chiếc tủ đông của HKUST có thể biến 20 ml nước cất thành đá chỉ trong 2 giờ.
Vậy chiếc tủ đông này hoạt động như thế nào nhỉ? Khi hoạt động, bộ truyền động sẽ nén và giữ các ống niken-titan, khiến vật liệu nóng lên. Đồng thời, một chất lỏng mặn chứa canxi clorua (một loại muối thường dùng để làm tan băng trên đường) được bơm qua bộ tái sinh, mang nhiệt đi và thải ra môi trường xung quanh khi thoát ra. Sau đó, bộ truyền động nhả ra, làm cho các ống niken-titan nguội đi nhanh chóng. Chất lỏng lại chảy ngược qua bộ tái sinh theo hướng ngược lại và được làm mát trong quá trình này.
Một chu trình hoàn chỉnh chỉ mất vỏn vẹn 1 giây. Sau 15 phút hoạt động liên tục trong phòng thí nghiệm, đầu lạnh của hệ thống đạt mức kỷ lục -12 độ C, trong khi đầu nóng đo được 24 độ C, tạo ra chênh lệch nhiệt độ lên tới 36 độ C. Trong điều kiện thực tế hơn – khi được gắn vào một buồng cách nhiệt chứa một lọ nước và hoạt động ngoài trời vào một ngày ấm áp – hệ thống mất nhiều thời gian hơn để làm mát, với buồng đạt -4 độ C trong 60 phút.
Giáo sư Qingping Sun, trưởng nhóm nghiên cứu và là giáo sư kỹ thuật cơ khí tại HKUST, cũng thẳng thắn thừa nhận rằng vẫn còn nhiều rào cản đáng kể cần phải vượt qua trước khi thiết bị này sẵn sàng thương mại hóa, dù là cho thị trường gia dụng hay công nghiệp. Hiệu suất năng lượng của nó "vẫn thấp hơn so với điều hòa không khí dựa trên nén hơi thông thường", với phần lớn năng lượng bị thất thoát do bộ truyền động. Giáo sư Sun chia sẻ rằng nhóm đang phát triển công nghệ truyền động mới như một phần của công việc tích hợp và tối ưu hóa hệ thống. Họ cũng đặt mục tiêu đạt được nhiệt độ thấp hơn nữa, xuống tới -100 độ C, điều này sẽ đòi hỏi các loại hợp kim khác. Cuối cùng, cấu trúc ống thành mỏng hiện tại được sản xuất bằng một quy trình chính xác nhưng "rất tốn kém". Vì vậy, nhóm đang tìm kiếm các giải pháp thay thế, bao gồm cả công nghệ in 3D, nhằm giảm thiểu lãng phí vật liệu và chi phí sản xuất.
Giáo sư Sun cho biết thêm, nhóm đang làm việc song song theo ba hướng này và dự đoán rằng họ sẽ có một sản phẩm khả thi trên thị trường trong vòng hai đến ba năm tới.
Về các ứng dụng tiềm năng của tủ đông đàn hồi nhiệt, giáo sư Sun gợi ý rằng nó có thể được sử dụng trong các hệ thống di động để giao thực phẩm đông lạnh hoặc kiểm soát khí hậu trong xe điện. Ông cũng tiết lộ rằng họ đang có "sự hợp tác tích cực với các đối tác công nghiệp", dù không tiện nêu tên cụ thể. Về lâu dài, mục tiêu là "phá vỡ thị trường công nghệ nén hơi hiện có", nhưng trước mắt, trọng tâm là tìm kiếm "một lĩnh vực ngách để đạt được đột phá, và sau đó dần dần mở rộng".
Tóm lại, dù công nghệ làm mát đàn hồi nhiệt cho thấy rất nhiều hứa hẹn như một giải pháp thay thế cho tủ lạnh truyền thống mà không phát thải khí nhà kính, nhưng hiện tại nó vẫn đang ở giai đoạn nguyên mẫu, với rất nhiều thách thức kỹ thuật lớn đang chờ đợi phía trước.
Mới đây, các nhà nghiên cứu tại Đại học Khoa học và Công nghệ Hồng Kông (HKUST) đã mang đến một tin vui cực lớn khi công bố thiết bị làm mát đàn hồi nhiệt đầu tiên có khả năng đạt đến nhiệt độ dưới 0 độ C. Đây thực sự là một cột mốc quan trọng trong việc phát triển công nghệ làm lạnh đầy hứa hẹn này. Nguyên mẫu để bàn của họ, được mô tả chi tiết trong một bài báo khoa học trên tạp chí Nature danh tiếng, đã thành công biến 20 ml nước thành đá chỉ trong vòng hai giờ. Hiệu suất này phải nói là ngang ngửa với một chiếc tủ đông gia đình mà chúng ta vẫn dùng hàng ngày đó.
Vậy tại sao công nghệ đàn hồi nhiệt lại được chú ý đến vậy? Đơn giản là vì hệ thống làm mát này không hề phụ thuộc vào các chất làm lạnh gây phát thải khí nhà kính. Thay vào đó, chúng khai thác những đặc tính chuyển pha độc đáo của hợp kim nhớ hình (SMAs). Các bạn hình dung đây là một loại kim loại đặc biệt, trong một phạm vi nhiệt độ nhất định, chúng sẽ giải phóng nhiệt khi bị nén và hấp thụ nhiệt khi được thả lỏng.
Tuy nhiên, từ trước đến nay, tất cả các hệ thống làm mát đàn hồi nhiệt ở cấp độ nghiên cứu đều chỉ hoạt động được ở nhiệt độ trên 0 độ C. Có vẻ như hiệu suất của các hợp kim nhớ hình ở nhiệt độ thấp hơn vẫn còn là một thách thức lớn.
Để giải quyết vấn đề này, nhóm nghiên cứu Hồng Kông đã sử dụng một loại hợp kim nhớ hình niken-titan độc đáo. Cụ thể, hợp kim này chứa 51,2% niken và 48,8% titan, và điều đặc biệt là nó vẫn giữ được các đặc tính đàn hồi nhiệt ngay cả ở nhiệt độ gần -21 độ C. Các thanh hợp kim này sau đó được gia công chính xác để tạo ra những ống thành mỏng, bên trong có cấu trúc phức tạp được thiết kế để tối đa hóa quá trình trao đổi nhiệt.
Việc lắp ráp các ống niken-titan này thành một bộ tái sinh đàn hồi nhiệt hoàn chỉnh – một dạng bộ trao đổi nhiệt – được thực hiện bằng cách nhóm chúng thành từng bộ ba, rồi lắp chặt vào một vỏ nhựa chắc chắn. Tám bộ phận như vậy được kết nối với nhau, và một bộ truyền động tuyến tính được gắn ở một đầu để tạo lực cần thiết, kích hoạt hiệu ứng đàn hồi nhiệt.
Chiếc tủ đông của HKUST có thể biến 20 ml nước cất thành đá chỉ trong 2 giờ.
Vậy chiếc tủ đông này hoạt động như thế nào nhỉ? Khi hoạt động, bộ truyền động sẽ nén và giữ các ống niken-titan, khiến vật liệu nóng lên. Đồng thời, một chất lỏng mặn chứa canxi clorua (một loại muối thường dùng để làm tan băng trên đường) được bơm qua bộ tái sinh, mang nhiệt đi và thải ra môi trường xung quanh khi thoát ra. Sau đó, bộ truyền động nhả ra, làm cho các ống niken-titan nguội đi nhanh chóng. Chất lỏng lại chảy ngược qua bộ tái sinh theo hướng ngược lại và được làm mát trong quá trình này.
Một chu trình hoàn chỉnh chỉ mất vỏn vẹn 1 giây. Sau 15 phút hoạt động liên tục trong phòng thí nghiệm, đầu lạnh của hệ thống đạt mức kỷ lục -12 độ C, trong khi đầu nóng đo được 24 độ C, tạo ra chênh lệch nhiệt độ lên tới 36 độ C. Trong điều kiện thực tế hơn – khi được gắn vào một buồng cách nhiệt chứa một lọ nước và hoạt động ngoài trời vào một ngày ấm áp – hệ thống mất nhiều thời gian hơn để làm mát, với buồng đạt -4 độ C trong 60 phút.
Giáo sư Qingping Sun, trưởng nhóm nghiên cứu và là giáo sư kỹ thuật cơ khí tại HKUST, cũng thẳng thắn thừa nhận rằng vẫn còn nhiều rào cản đáng kể cần phải vượt qua trước khi thiết bị này sẵn sàng thương mại hóa, dù là cho thị trường gia dụng hay công nghiệp. Hiệu suất năng lượng của nó "vẫn thấp hơn so với điều hòa không khí dựa trên nén hơi thông thường", với phần lớn năng lượng bị thất thoát do bộ truyền động. Giáo sư Sun chia sẻ rằng nhóm đang phát triển công nghệ truyền động mới như một phần của công việc tích hợp và tối ưu hóa hệ thống. Họ cũng đặt mục tiêu đạt được nhiệt độ thấp hơn nữa, xuống tới -100 độ C, điều này sẽ đòi hỏi các loại hợp kim khác. Cuối cùng, cấu trúc ống thành mỏng hiện tại được sản xuất bằng một quy trình chính xác nhưng "rất tốn kém". Vì vậy, nhóm đang tìm kiếm các giải pháp thay thế, bao gồm cả công nghệ in 3D, nhằm giảm thiểu lãng phí vật liệu và chi phí sản xuất.
Giáo sư Sun cho biết thêm, nhóm đang làm việc song song theo ba hướng này và dự đoán rằng họ sẽ có một sản phẩm khả thi trên thị trường trong vòng hai đến ba năm tới.
Về các ứng dụng tiềm năng của tủ đông đàn hồi nhiệt, giáo sư Sun gợi ý rằng nó có thể được sử dụng trong các hệ thống di động để giao thực phẩm đông lạnh hoặc kiểm soát khí hậu trong xe điện. Ông cũng tiết lộ rằng họ đang có "sự hợp tác tích cực với các đối tác công nghiệp", dù không tiện nêu tên cụ thể. Về lâu dài, mục tiêu là "phá vỡ thị trường công nghệ nén hơi hiện có", nhưng trước mắt, trọng tâm là tìm kiếm "một lĩnh vực ngách để đạt được đột phá, và sau đó dần dần mở rộng".
Tóm lại, dù công nghệ làm mát đàn hồi nhiệt cho thấy rất nhiều hứa hẹn như một giải pháp thay thế cho tủ lạnh truyền thống mà không phát thải khí nhà kính, nhưng hiện tại nó vẫn đang ở giai đoạn nguyên mẫu, với rất nhiều thách thức kỹ thuật lớn đang chờ đợi phía trước.
