Tủ đông xanh dưới 0 độ C đạt được mức phát thải bằng không
Bởi Đại học Khoa học và Công nghệ Hồng Kông
Ứng dụng thực tế của thiết bị làm lạnh đàn hồi nhiệt dưới 0 độ C. Nguồn: Nature (2026). DOI: 10.1038/s41586-025-09946-4
Các nhà nghiên cứu tại Trường Kỹ thuật của Đại học Khoa học và Công nghệ Hồng Kông (HKUST) đã phát triển thiết bị làm lạnh đàn hồi nhiệt dưới 0 độ C đầu tiên trên thế giới, có khả năng đạt đến nhiệt độ thấp tới -12℃. Điều này đánh dấu một cột mốc quan trọng trong việc mở rộng công nghệ làm lạnh đàn hồi nhiệt rắn xanh vào ngành công nghiệp đông lạnh toàn cầu, mang đến một giải pháp đầy hứa hẹn để chống lại biến đổi khí hậu và đẩy nhanh quá trình chuyển đổi carbon thấp của thị trường đông lạnh toàn cầu.
Những phát hiện này gần đây đã được công bố trên tạp chí Nature, với tiêu đề "Làm lạnh đàn hồi nhiệt dưới 0 độ C thông qua hợp kim có nhiệt độ chuyển tiếp thấp".
Khi hiện tượng nóng lên toàn cầu ngày càng trầm trọng, nhu cầu làm lạnh đã tăng nhanh và chiếm một phần đáng kể trong tổng lượng điện tiêu thụ toàn cầu. Công nghệ làm lạnh truyền thống dựa trên nén hơi sử dụng chất làm lạnh có tiềm năng gây nóng toàn cầu (GWP) cao.
Là một giải pháp thay thế thân thiện với môi trường, công nghệ làm lạnh trạng thái rắn dựa trên hiệu ứng đàn hồi nhiệt của hợp kim nhớ hình dạng (SMAs) đã thu hút sự chú ý đáng kể từ cả giới học thuật và công nghiệp do không phát thải khí nhà kính và tiềm năng hiệu quả năng lượng cao. Công nghệ này khai thác nhiệt ẩn từ quá trình chuyển pha tuần hoàn của hợp kim nhớ hình dạng để làm lạnh mà không cần chất làm lạnh gây hiệu ứng nhà kính, mở ra một hướng đi đầy hứa hẹn để khử carbon trong lĩnh vực làm lạnh của ngành công nghiệp làm lạnh và giảm thiểu phát thải toàn cầu và biến đổi khí hậu.
Hình minh họa thiết bị làm lạnh đàn hồi nhiệt dưới 0 độ C và so sánh hiệu suất. Nguồn: Nature (2026). DOI: 10.1038/s41586-025-09946-4
Những thách thức và bước đột phá gần đây trong làm lạnh đàn hồi nhiệt
Tuy nhiên, các thiết bị đàn hồi nhiệt hiện có vẫn còn hạn chế trong các kịch bản điều hòa không khí cho các ứng dụng ở nhiệt độ phòng. Điều quan trọng là phải mở rộng công nghệ này sang lĩnh vực đông lạnh, vốn có quy mô thị trường tương đương với lĩnh vực điều hòa không khí.
Một nhóm nghiên cứu do Giáo sư Sun Qingping, Giáo sư Chủ nhiệm Khoa Cơ khí và Kỹ thuật Hàng không vũ trụ tại HKUST dẫn đầu, đã đạt được một bước đột phá trong làm lạnh đàn hồi nhiệt dưới 0 độ C. Sự tiến bộ này là kết quả của sự kết hợp đồng bộ giữa vật liệu, chất lỏng truyền nhiệt và cấu trúc làm lạnh. Các đặc điểm bao gồm:
Hợp kim siêu đàn hồi: sử dụng hợp kim niken-titan (NiTi) nhị phân có nhiệt độ chuyển tiếp thấp với hàm lượng niken cao (51,2% nguyên tử) và hạ thấp nhiệt độ kết thúc austenit (Af) xuống -20,8℃. Hợp kim này duy trì tính siêu đàn hồi tuyệt vời và nhiệt ẩn đáng kể ngay cả ở -20℃, với sự thay đổi nhiệt độ đoạn nhiệt cực đại là 16,3℃ ở 0℃ và cửa sổ nhiệt độ hoạt động là 48,5℃.
Chất lỏng truyền nhiệt chịu được đóng băng: sử dụng dung dịch canxi clorua 30% trọng lượng làm chất lỏng làm việc. Điểm đóng băng thấp của nó đảm bảo rằng nó vẫn ở dạng lỏng khi hoạt động ở nhiệt độ dưới 0℃, trong khi khả năng thấm ướt tốt trên bề mặt NiTi giúp tăng cường hiệu quả trao đổi nhiệt.
Cấu trúc ống xếp tầng: bộ tái tạo hoạt động dựa trên chu trình Brayton chủ động dựa trên nén và bao gồm tám đơn vị xếp tầng, mỗi đơn vị chứa ba ống NiTi thành mỏng. Thiết kế này cung cấp tỷ lệ diện tích bề mặt trên thể tích cao (8,68 mm⁻¹) và chịu được ứng suất nén 900MPa mà không bị cong vênh, như đã được xác minh bằng chụp cắt lớp vi tính tia X.
Ứng dụng thực tế của thiết bị đàn hồi nhiệt của chúng tôi trong điều kiện đóng băng. Nguồn: Nature (2026). DOI: 10.1038/s41586-025-09946-4
Hoạt động ở tần số 1Hz, thiết bị để bàn này đạt được nhiệt độ nguồn lạnh -12 ℃ từ bộ tản nhiệt ở nhiệt độ phòng (24℃), tạo ra mức tăng nhiệt độ 36 ℃. Đây là hiệu suất làm lạnh dưới 0 độ C đầu tiên được báo cáo trong lĩnh vực làm lạnh đàn hồi nhiệt.
Trong một thử nghiệm thực tế, hệ thống được tích hợp vào một thiết bị có kích thước 1,0×0,5×0,5 m³ và được thử nghiệm ngoài trời ở nhiệt độ từ 20 đến 25℃. Nó đã làm lạnh thành công một buồng cách nhiệt xuống nhiệt độ không khí ổn định -4℃ trong vòng 60 phút và làm đông 20ml nước cất thành đá trong vòng 2 giờ, chứng minh khả năng làm đông thực tế của nó.
Thiết bị đã chứng minh công suất làm lạnh cụ thể lên tới 1,43W g-1 trong điều kiện nâng nhiệt độ bằng không. Ngoài ra, hệ số hiệu suất của hệ thống có thể đạt 3,4 trong điều kiện giả định phục hồi công suất lý tưởng, cho thấy tiềm năng tiết kiệm năng lượng của nó.
Tác động tiềm tàng đến lượng khí thải toàn cầu
Công trình này có tác động đáng kể đến việc khử carbon toàn cầu để chống lại biến đổi khí hậu. Theo dữ liệu đã công bố, lượng khí thải Hydrofluorocarbon (HFC) toàn cầu dự kiến sẽ vượt quá 1,2 gigaton CO2 tương đương mỗi năm vào năm 2025, với khoảng 27% đến từ các ứng dụng làm lạnh dưới 0 độ C. Điều này tương đương với khoảng 330 triệu tấn CO2 mỗi năm.
Việc chứng minh thành công khả năng làm lạnh dưới 0 độ C
Làm mát bằng phương pháp đàn hồi nhiệt không phát thải cung cấp một giải pháp thay thế khả thi cho các ứng dụng này. Việc áp dụng rộng rãi công nghệ này do đó có thể giảm thiểu khoảng 330 triệu tấn khí thải CO2 tương đương mỗi năm, góp phần đáng kể vào các mục tiêu khí hậu toàn cầu.
Định hướng tương lai và quan điểm của chuyên gia
Trưởng nhóm nghiên cứu, Giáo sư Sun Qingping cho biết: "Thành tựu này chứng minh tiềm năng ứng dụng quy mô lớn của công nghệ đông lạnh đàn hồi nhiệt. 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 HFC ngày càng thắt chặt, công nghệ đông lạnh không phát thải, tiết kiệm năng lượng này sẵn sàng định hình lại lĩnh vực đông lạnh của ngành công nghiệp điện lạnh và cung cấp một giải pháp kỹ thuật quan trọng cho mục tiêu trung hòa carbon.
"Trong tương lai, chúng tôi sẽ tập trung vào việc tối ưu hóa hiệu suất hệ thống, mật độ công suất và hiệu quả chi phí thông qua những tiến bộ trong vật liệu hợp kim nhớ hình dạng, sản xuất, thiết kế trao đổi nhiệt, tích hợp và tối ưu hóa hệ thống để đạt được công suất làm lạnh lớn hơn và hiệu quả năng lượng cao."
Giáo sư Lu Mengqian, Giám đốc Trung tâm Otto Poon về Khả năng phục hồi và Bền vững Khí hậu thuộc Đại học Khoa học và Công nghệ Hồng Kông (HKUST), nơi Giáo sư Sun và Giáo sư Zhou là thành viên liên kết, cho biết: "Bước tiến đột phá này trong công nghệ đông lạnh đàn hồi nhiệt của các thành viên trung tâm chúng tôi đại diện cho một bước tiến đáng kể trong cuộc chiến chống biến đổi khí hậu." Bằng cách cung cấp giải pháp thay thế không phát thải cho các ứng dụng dưới 0 độ C, chúng tôi đang giải quyết nhu cầu cấp thiết về các giải pháp đông lạnh bền vững. Thành tựu này thật phi thường kể từ khi trung tâm được thành lập vào tháng 7 năm 2025. Công trình này thúc đẩy sứ mệnh của trung tâm trong việc cung cấp các chiến lược hiệu quả cho khả năng chống chịu biến đổi khí hậu và phát triển bền vững trên toàn thế giới.
Thông tin thêm: Guoan Zhou và cộng sự, Làm lạnh đàn hồi nhiệt dưới 0 độ C thông qua hợp kim nhiệt độ chuyển tiếp thấp, Nature (2026). DOI: 10.1038/s41586-025-09946-4
Thông tin tạp chí: Nature
