Vật liệu giúp làm mát nhà mà không cần điều hòa

Được đăng tải trên tạp chí Nature, nghiên cứu sử dụng công nghệ máy học để phát triển các vật liệu gọi là siêu phát nhiệt (thermal meta-emitter), có khả năng điều chỉnh cách thức hấp thụ và giải phóng nhiệt. Mục tiêu của nhóm là tạo ra những vật liệu giúp giảm nhiệt độ trong các tòa nhà, từ đó tiết kiệm năng lượng và có thể ứng dụng trong không gian.

ẢNH: PEXELS

Khoa học quang tử nano nhiệt, nghiên cứu sự tương tác giữa ánh sáng và nhiệt ở quy mô nhỏ, đã hứa hẹn nhiều tiến bộ trong các lĩnh vực như công nghệ năng lượng và quang điện nhiệt. Tuy nhiên, việc thiết kế các vật liệu này thường gặp khó khăn do phụ thuộc vào phương pháp thử nghiệm và sai sót, dẫn đến tiến độ chậm. Các phương pháp truyền thống thường bị giới hạn bởi hình dạng đơn giản và vật liệu cố định, khiến cho việc tìm ra giải pháp tối ưu trở nên khó khăn.

Học máy mở đường cho vật liệu ‘tự làm mát’ thế hệ mới

Phương pháp mới của nhóm nghiên cứu sử dụng công nghệ học máy để vượt qua những hạn chế này. Hệ thống có khả năng xử lý các cấu trúc ba chiều phức tạp và nhiều loại vật liệu, ngay cả khi chỉ có một lượng nhỏ dữ liệu. Điểm mạnh của phương pháp này là khả năng tự động tìm kiếm trong hàng triệu thiết kế để đáp ứng các yêu cầu cụ thể, đồng thời sử dụng mô hình ba mặt phẳng, mở rộng khả năng thiết kế so với các phương pháp hai chiều trước đây.

Nhóm nghiên cứu đã tạo ra hơn 1.500 vật liệu khác nhau với khả năng phát nhiệt đa dạng. Họ cũng đã thử nghiệm 7 thiết kế cho thấy hiệu suất làm mát và quang học vượt trội so với các phương án hiện có. Đồng chủ nhiệm nghiên cứu Yuebing Zheng cho biết: "Khung học máy của chúng tôi đại diện cho một bước tiến lớn trong thiết kế siêu phát nhiệt. Bằng cách tự động hóa quy trình, chúng tôi có thể tạo ra các vật liệu có hiệu suất vượt trội mà trước đây không thể tưởng tượng được".

Để kiểm tra tính khả thi của hệ thống, nhóm nghiên cứu đã chế tạo 4 vật liệu và thử nghiệm chúng trên mái của một ngôi nhà mẫu. Kết quả cho thấy mái nhà được phủ lớp meta-emitter mát hơn từ 5 đến 20 độ C so với mái nhà sơn trắng hoặc xám sau 4 giờ tiếp xúc với ánh nắng mặt trời. Theo ước tính, hiệu ứng làm mát này có thể tiết kiệm khoảng 15.800 KW năng lượng mỗi năm tại một tòa nhà chung cư ở các thành phố nóng như Rio de Janeiro hoặc Bangkok.

Ngoài ứng dụng trong nhà ở, những vật liệu này còn có thể giúp giảm nhiệt độ đô thị bằng cách phản xạ ánh sáng mặt trời và giải phóng nhiệt, từ đó giảm thiểu hiệu ứng đảo nhiệt đô thị, một yếu tố góp phần vào hiện tượng nóng lên toàn cầu. Chúng cũng có thể được ứng dụng trong tàu vũ trụ để kiểm soát nhiệt độ, hoặc trong các sản phẩm hằng ngày như vải làm mát quần áo và lớp phủ xe hơi.

Giáo sư Zheng nhấn mạnh phương pháp truyền thống thường chậm chạp và không tối ưu, trong khi khuôn khổ mới mở ra nhiều lựa chọn hơn cho việc tối ưu hóa thiết kế vật liệu. Nhóm nghiên cứu dự định tiếp tục cải tiến công nghệ và ứng dụng nó vào lĩnh vực quang tử nano nhằm khai thác tiềm năng của học máy trong việc thiết kế các bộ phát nhiệt hiệu suất cao.