Các nhà nghiên cứu tại Đại học Khoa học và Công nghệ Hồng Kông (HKUST) đã phát triển thiết bị làm mát elastocaloric quy mô kilowatt đầu tiên trên thế giới. Thiết bị này có thể ổn định nhiệt độ trong nhà ở mức thoải mái 21°C–22°C chỉ trong 15 phút, ngay cả khi nhiệt độ ngoài trời đạt từ 30°C đến 31°C, đánh dấu bước đột phá đáng kể hướng tới ứng dụng thương mại của công nghệ làm mát thể rắn elastocaloric.
Minh họa về thiết bị làm mát đàn hồi ở quy mô kilowatt. Tín dụng: Nature (2025). DOI: 10.1038/s41586-024-08549-9
Những phát hiện nghiên cứu đã được công bố trên tạp chí Nature, đưa ra giải pháp đầy hứa hẹn để chống lại biến đổi khí hậu và đẩy nhanh quá trình chuyển đổi sang ngành công nghiệp làm mát toàn cầu ít carbon.
Khi tình trạng nóng lên toàn cầu gia tăng, nhu cầu về điều hòa không khí và làm mát ngày càng tăng, trong đó làm mát chiếm tới 20% lượng điện tiêu thụ toàn cầu. Công nghệ làm mát nén hơi chính thống dựa vào chất làm lạnh có tiềm năng làm nóng toàn cầu (GWP) cao.
Là một giải pháp thay thế thân thiện với môi trường, công nghệ làm mát thể rắn dựa trên hiệu ứng đàn hồi của hợp kim nhớ hình (SMA) đã thu hút sự chú ý đáng kể từ cả giới học thuật và ngành công nghiệp do không phát thải khí nhà kính và tiềm năng tiết kiệm năng lượng cao.
Tuy nhiên, công suất làm mát tối đa của các thiết bị làm mát elastocaloric trước đây chỉ vào khoảng 260 watt, không thể đáp ứng được yêu cầu quy mô kilowatt cho điều hòa không khí thương mại. Nhóm nghiên cứu HKUST, do Giáo sư Sun Qingping và Giáo sư Yao Shuhuai đứng đầu, cả hai đều là giáo sư của Khoa Kỹ thuật Cơ khí và Hàng không Vũ trụ (MAE), đã xác định rằng nút thắt cổ chai này xuất phát từ hai vấn đề cốt lõi: (1) khó khăn trong việc cân bằng công suất làm mát riêng (SCP) của chất làm lạnh với tổng khối lượng hoạt động; và (2) hiệu suất truyền nhiệt không đủ trong quá trình vận hành tần số cao.
Để khắc phục những hạn chế này, nhóm nghiên cứu đã đề xuất thiết kế kiến trúc đa ô "SMA nối tiếp—chất lỏng song song". Kiến trúc này kết nối tuần tự 10 đơn vị làm mát đàn hồi theo hướng tác dụng lực, với mỗi đơn vị chứa bốn ống hợp kim niken-titan có thành mỏng, tổng khối lượng chỉ 104,4 gam.
Các ống niken-titan có tỷ lệ diện tích bề mặt trên thể tích cao là 7,51 mm-1 giúp cải thiện đáng kể hiệu quả trao đổi nhiệt. Trong khi đó, thiết kế kênh chất lỏng song song giúp duy trì áp suất hệ thống dưới 1,5 bar, đảm bảo hoạt động tần số cao ổn định.
Một cải tiến quan trọng khác là thay thế nước cất truyền thống bằng graphene nanofluid, một môi trường truyền nhiệt tiên tiến có độ dẫn nhiệt đặc biệt. Các thí nghiệm cho thấy graphene nanofluid, chỉ với nồng độ 2 gam trên một lít, dẫn nhiệt hiệu quả hơn 50% so với nước cất.
Đường kính của các hạt nano (0,8 micromet) nhỏ hơn nhiều so với chiều rộng của các kênh chất lỏng (150–500 micromet), tránh được nguy cơ tắc nghẽn. Chụp cắt lớp tia X xác nhận rằng các ống niken-titan duy trì biến dạng nén đồng đều dưới ứng suất 950 megapascal mà không bị cong vênh.
Lắp ráp và vận hành thiết bị làm mát đàn hồi. Tín dụng: Nature (2025). DOI: 10.1038/s41586-024-08549-9
Ứng dụng thiết bị làm mát đàn hồi quy mô kilowatt của chúng tôi. Tín dụng: Nature (2025). DOI: 10.1038/s41586-024-08549-9
Ở tần số cao 3,5 Hz, thiết bị đạt được công suất làm mát riêng là 12,3 W/g và tổng công suất làm mát là 1.284 watt (trong điều kiện nâng nhiệt độ bằng 0), chứng minh tính khả thi thực tế của nó trong điều kiện thực tế.
Trong các thử nghiệm ứng dụng thực tế, thiết bị đã làm mát thành công một ngôi nhà mẫu có diện tích 2,7 m3 trong môi trường ngoài trời mùa hè với nhiệt độ từ 30℃ đến 31℃, ổn định nhiệt độ trong nhà ở mức dễ chịu 21℃–22℃ trong 15 phút.
So sánh hiệu suất làm lạnh. Tín dụng: Nature (2025). DOI: 10.1038/s41586-024-08549-9
So với các công nghệ làm mát thể rắn hiện có, thiết bị tiên phong này dẫn đầu về công suất làm mát và hiệu suất nâng nhiệt. Giá trị SCP (12,3 W/g) của nó gần gấp ba lần kỷ lục trước đó của các thiết bị elastocaloric truyền nhiệt lỏng (4,4 W/g) và lần đầu tiên nó đã phá vỡ ngưỡng làm mát quy mô kilowatt.
Giáo sư Sun Qingping cho biết, "Thành tựu này chứng minh tiềm năng ứng dụng công nghệ làm mát đàn hồi trên diện rộng. Chúng tôi đang hợp tác với ngành công nghiệp để thúc đẩy thương mại hóa công nghệ này.
"Khi các quy định toàn cầu về hydrofluorocarbon (HFC) ngày càng chặt chẽ, công nghệ làm mát tiết kiệm năng lượng, không phát thải này đang định hình lại ngành công nghiệp điều hòa không khí và cung cấp giải pháp kỹ thuật quan trọng cho mục tiêu trung hòa carbon. Người tiêu dùng cũng sẽ được hưởng lợi từ hóa đơn tiền điện thấp hơn trong khi những tiến bộ công nghệ cho phép các thiết bị làm mát nhỏ gọn hơn, tiết kiệm không gian trong nhà có giá trị."
Giáo sư Yao Shuhuai cho biết, "Trong tương lai, hiệu suất làm mát của hệ thống có thể được cải thiện hơn nữa bằng cách phát triển các vật liệu đàn hồi mới và tối ưu hóa kiến trúc truyền động quay. Những cải tiến này có thể giúp đạt được công suất làm mát lớn hơn, nghĩa là môi trường trong nhà có thể được làm mát trong thời gian ngắn hơn đáng kể".
Sự đổi mới này là một bước đột phá lớn khác của nhóm nghiên cứu trong vòng chưa đầy một năm. Nó dựa trên thành công trước đó của họ với một thiết bị đàn hồi đa vật liệu lập kỷ lục về tuổi thọ ở nhiệt độ 75 K, như đã được công bố trên tạp chí Nature Energy vào năm 2024.
Mời các đối tác xem hoạt động của Công ty TNHH Pacific Group.
FanPage: https://www.facebook.com/Pacific-Group
YouTube: https://www.youtube.com/@PacificGroupCoLt
