Cửa sổ lỏng: Cảm hứng tiết kiệm năng lượng từ da con mực

Cửa sổ lỏng: Cảm hứng tiết kiệm năng lượng từ da con mực

    Cửa sổ lỏng: Cảm hứng tiết kiệm năng lượng từ da mực

    Liquid windows: energy-saving inspiration from squid skin

    Nguyên mẫu của một hệ thống chất lỏng nhiều lớp do các nhà nghiên cứu của U of T Engineering thiết kế có chứa một số lớp kênh chứa chất lỏng có các đặc tính quang học khác nhau. Ảnh: Raphael Kay, Adrian So


    Lấy cảm hứng từ làn da thay đổi màu sắc năng động của các sinh vật như mực, các nhà nghiên cứu của Đại học Toronto đã phát triển một hệ thống chất lỏng nhiều lớp có thể giảm chi phí năng lượng để sưởi ấm, làm mát và chiếu sáng các tòa nhà.

    Nền tảng tối ưu hóa bước sóng, cường độ và độ phân tán ánh sáng truyền qua cửa sổ, mang lại khả năng kiểm soát tốt hơn nhiều so với các công nghệ hiện có trong khi vẫn giữ chi phí thấp do sử dụng các thành phần đơn giản, có sẵn.

    "Các tòa nhà sử dụng rất nhiều năng lượng để sưởi ấm, làm mát và chiếu sáng không gian bên trong chúng," Raphael Kay, người vừa tốt nghiệp thạc sĩ về kỹ thuật cơ khí của Khoa Khoa học & Kỹ thuật Ứng dụng và là tác giả chính của một bài báo mới xuất bản cho biết. trên tạp chí PNAS.

    "Nếu chúng ta có thể kiểm soát một cách chiến lược số lượng, loại và hướng năng lượng mặt trời đi vào các tòa nhà của mình, thì chúng ta có thể giảm đáng kể khối lượng công việc mà chúng ta yêu cầu máy sưởi, máy làm mát và đèn chiếu sáng."

    Hiện nay, một số công nghệ xây dựng "thông minh" như rèm tự động hoặc cửa sổ điện sắc—làm thay đổi độ mờ đục của chúng để đáp ứng với dòng điện—có thể được sử dụng để kiểm soát lượng ánh sáng mặt trời chiếu vào phòng. Nhưng Kay nói rằng các hệ thống này bị hạn chế: chúng không thể phân biệt giữa các bước sóng ánh sáng khác nhau, cũng như không thể kiểm soát cách ánh sáng đó được phân bổ trong không gian.

    Ông nói: "Ánh sáng mặt trời chứa ánh sáng nhìn thấy được, tác động đến sự chiếu sáng trong tòa nhà—nhưng nó cũng chứa các bước sóng vô hình khác, chẳng hạn như ánh sáng hồng ngoại, về cơ bản chúng ta có thể coi đó là nhiệt".

    "Vào giữa trưa của mùa đông, bạn có thể muốn cho cả hai ánh sáng—nhưng vào giữa trưa của mùa hè, bạn chỉ muốn cho ánh sáng nhìn thấy chứ không phải hơi nóng. Các hệ thống hiện tại thường có thể không làm điều này—chúng có thể chặn cả hai hoặc không. Chúng cũng không có khả năng định hướng hoặc phân tán ánh sáng theo những cách có lợi."

    Được phát triển bởi Kay và một nhóm do Phó Giáo sư Ben Hatton đứng đầu, hệ thống này tận dụng sức mạnh của vi lỏng để đưa ra một giải pháp thay thế. Nhóm cũng bao gồm Ph.D. ứng cử viên Charlie Katrycz, cả hai đều thuộc khoa khoa học và kỹ thuật vật liệu, và Alstan Jakubiec, trợ lý giáo sư tại Khoa Kiến trúc, Cảnh quan và Thiết kế John H. Daniels.

    Các nguyên mẫu bao gồm các tấm nhựa phẳng được thấm một loạt các kênh dày cỡ milimet để chất lỏng có thể được bơm qua đó. Có thể trộn các sắc tố, hạt hoặc phân tử khác tùy chỉnh vào chất lỏng để kiểm soát loại ánh sáng đi qua—chẳng hạn như bước sóng khả kiến so với bước sóng cận hồng ngoại—và sau đó ánh sáng này được phân bố theo hướng nào.

    Những tấm này có thể được kết hợp thành một chồng nhiều lớp, với mỗi lớp chịu trách nhiệm cho một loại chức năng quang học khác nhau: kiểm soát cường độ, lọc bước sóng hoặc điều chỉnh sự tán xạ của ánh sáng truyền qua trong nhà. Bằng cách sử dụng các máy bơm nhỏ, được điều khiển kỹ thuật số để thêm hoặc loại bỏ chất lỏng khỏi mỗi lớp, hệ thống có thể tối ưu hóa khả năng truyền ánh sáng.

    "Nó đơn giản và chi phí thấp, nhưng nó cũng cho phép kiểm soát tổ hợp đáng kinh ngạc. Chúng tôi có thể thiết kế các mặt tiền tòa nhà động ở trạng thái lỏng về cơ bản làm bất cứ điều gì bạn muốn về đặc tính quang học của chúng," Kay nói.


    Nguồn cảm hứng sinh học cho đa lớp chất lỏng: (A) Sự thay đổi màu sắc ở tắc kè hoa báo được đạt được bằng cách sử dụng kiến trúc đa lớp gồm các tinh thể quang tử hoạt động; (B) Sự thay đổi màu sắc ở con mực được thực hiện bằng cách sử dụng các hoạt động được phối hợp trong một lớp đa sắc tố và các yếu tố cấu trúc. Ảnh: Đại học Toronto


    Công việc này dựa trên một hệ thống khác sử dụng sắc tố được tiêm, được phát triển bởi cùng một nhóm vào đầu năm nay. Trong khi nghiên cứu đó lấy cảm hứng từ khả năng thay đổi màu sắc của động vật chân đốt ở biển, hệ thống hiện tại tương tự như da nhiều lớp của mực.

    Nhiều loài mực có da chứa các lớp cơ quan chuyên biệt xếp chồng lên nhau—bao gồm tế bào sắc tố, kiểm soát sự hấp thụ ánh sáng và tế bào ánh kim, tác động đến phản xạ và ánh kim. Các phần tử có thể định địa chỉ riêng lẻ này hoạt động cùng nhau để tạo ra các hành vi quang học độc đáo chỉ có thể thực hiện được thông qua hoạt động kết hợp của chúng.

    Trong khi các nhà nghiên cứu của U of T Engineering tập trung vào các nguyên mẫu, thì Jakubiec đã xây dựng các mô hình máy tính chi tiết để phân tích tác động năng lượng tiềm ẩn của việc bao phủ một tòa nhà giả định bằng loại mặt tiền động này.

    Các mô hình được thông báo bằng các đặc tính vật lý được đo từ các nguyên mẫu. Nhóm cũng đã mô phỏng các thuật toán điều khiển khác nhau để kích hoạt hoặc hủy kích hoạt các lớp để đáp ứng với các điều kiện xung quanh thay đổi.

    "Nếu chúng ta chỉ có một lớp tập trung vào việc điều chỉnh sự truyền ánh sáng cận hồng ngoại—để thậm chí không chạm vào ánh sáng nhìn thấy được 

    nghệ thuật của quang phổ—chúng tôi thấy rằng chúng tôi có thể tiết kiệm khoảng 25% hàng năm cho năng lượng sưởi ấm, làm mát và chiếu sáng trên đường cơ sở tĩnh," Kay nói.

    "Nếu chúng tôi có hai lớp—hồng ngoại và khả kiến—thì giống như 50%. Đây là những khoản tiết kiệm rất đáng kể."

    Trong nghiên cứu gần đây nhất, các thuật toán điều khiển do con người thiết kế, nhưng Hatton chỉ ra rằng thách thức tối ưu hóa chúng sẽ là một nhiệm vụ lý tưởng cho trí tuệ nhân tạo—một hướng nghiên cứu khả thi trong tương lai.

    "Ý tưởng về một tòa nhà có thể học hỏi—có thể tự điều chỉnh mảng động này để tối ưu hóa cho những thay đổi theo mùa và hàng ngày trong điều kiện năng lượng mặt trời—rất thú vị đối với chúng tôi," Hatton nói.

    "Chúng tôi cũng đang nghiên cứu cách mở rộng quy mô này một cách hiệu quả để bạn có thể bao phủ toàn bộ tòa nhà. Điều đó sẽ tốn nhiều công sức nhưng xét đến việc điều này hoàn toàn có thể được thực hiện bằng các vật liệu đơn giản, không độc hại, chi phí thấp, thì đó là một thách thức có thể được giải quyết."

    Hatton cũng hy vọng rằng nghiên cứu này sẽ khuyến khích các nhà nghiên cứu khác suy nghĩ sáng tạo hơn về những cách mới để quản lý năng lượng trong các tòa nhà.

    Ông nói: “Trên toàn cầu, lượng năng lượng mà các tòa nhà tiêu thụ là rất lớn—nó thậm chí còn lớn hơn những gì chúng ta tiêu tốn cho sản xuất hoặc vận chuyển”. "Chúng tôi nghĩ rằng việc tạo ra vật liệu thông minh cho các tòa nhà là một thách thức đáng được quan tâm nhiều hơn."

    Zalo
    Hotline