Máy làm lạnh chạy bằng kim loại, không cần khí gas

Hãy tưởng tượng một chiếc điều hoà mà bên trong nó không có giọt khí gas nào. Thứ làm mát căn phòng là một miếng kim loại. Nó bị bóp lại rồi được thả lỏng ra, bóp rồi thả, cứ thế hàng triệu lần. Mỗi lần được thả lỏng, miếng kim loại ấy lạnh đi, và nó hút cái nóng trong phòng vào mình.

Nghe khó tin, nhưng một nhóm nghiên cứu ở Đại học Khoa học và Công nghệ Hồng Kông (HKUST) vừa làm ra một cái máy như vậy, và điều đáng chú ý không phải là nó chạy được, mà là nó chạy mãi mà không yếu đi.

Nó là cái gì

Đây chưa phải một chiếc điều hoà bạn treo lên tường. Nó là một thiết bị thí nghiệm, đặt trên bàn trong phòng nghiên cứu, gồm nhiều khối vật liệu làm lạnh ghép lại với nhau. Mỗi khối là một miếng hợp kim mỏng, được tạo hình thành các lá xếp thành hai lớp, giống như những cánh tản nhiệt bạn thấy sau lưng tủ lạnh. Một bộ phận cơ khí nén các lá kim loại ấy xuống rồi buông ra, lặp đi lặp lại.

Nguồn tin không cho biết cái máy to bằng chừng nào hay nặng bao nhiêu, nên ở đây mình không đoán. Điều chắc chắn là nó chưa được bán ở đâu cả. Nhóm nghiên cứu nói họ đang bắt tay làm một máy điều hoà dựa trên công nghệ này, nghĩa là sản phẩm thật vẫn còn ở phía trước.

Trước đây người ta làm lạnh thế nào

Gần như mọi tủ lạnh và điều hoà quanh bạn đều chạy theo một cách: nén hơi. Bên trong có một chất gọi là môi chất lạnh, thường ở dạng khí. Máy nén ép chất khí ấy lại cho nó nóng lên, đẩy cái nóng ra ngoài trời qua cục nóng, rồi cho nó giãn ra để lạnh đi và hút nhiệt từ trong phòng.

Cách này hiệu quả, nhưng có hai chỗ dở. Thứ nhất, nó ngốn rất nhiều điện. Thứ hai, và nghiêm trọng hơn, nhiều loại môi chất lạnh nếu rò ra không khí thì làm mỏng tầng ozone, lớp áo giáp che Trái Đất khỏi tia cực tím, đồng thời làm hiệu ứng nhà kính nặng thêm, tức là góp phần làm Trái Đất nóng lên.

Vậy nên hàng chục năm nay các nhà khoa học đi tìm cách làm lạnh không cần khí gas. Một trong những hướng đó gọi là làm lạnh đàn nhiệt (elastocaloric cooling). Nguyên lý dựa trên hợp kim nhớ hình (shape-memory alloy), một loại kim loại đặc biệt: khi bị ép, cấu trúc bên trong nó chuyển sang một dạng khác và nó toả nhiệt ra; khi được thả lỏng, nó quay về dạng cũ và hút nhiệt vào. Ép thì nóng, thả thì lạnh. Cứ xoay vòng như vậy là có một cái máy làm lạnh, mà chất làm lạnh là một cục kim loại rắn, không rò rỉ đi đâu được.

Ý tưởng này không mới. Cái mới nằm ở chỗ khác.

Chỗ khó thật sự, và nó được gỡ thế nào

Bạn hãy thử lấy một sợi dây thép nhỏ và bẻ qua bẻ lại một chỗ. Vài chục lần thì nó nóng lên, rồi gãy. Kim loại có một điểm yếu tên là mỏi: chịu lực lặp đi lặp lại thì nó dần yếu đi.

Đó chính là bức tường chắn ngang hướng nghiên cứu này bao nhiêu năm. Hầu hết các máy làm lạnh đàn nhiệt trước đây dùng hợp kim NiTi bán sẵn trên thị trường. NiTi bị một hiện tượng gọi là mỏi chức năng: càng chạy lâu, khả năng làm lạnh của nó càng kém. Một cái điều hoà mà tháng đầu mát, tháng thứ sáu chỉ còn mát một nửa thì không ai mua.

Nhóm của giáo sư Sun Qingping, chair professor tại Department of Mechanical and Aerospace Engineering của HKUST, tấn công vào đúng chỗ đó theo hai hướng cùng lúc.

Hướng thứ nhất là làm ra vật liệu mới. Thay vì NiTi gồm hai nguyên tố, họ chế một hợp kim bốn nguyên tố: TiNiCuCo, tức titan, niken, đồng và cobalt. Hợp kim này nhả nhiệt rồi hút nhiệt đều đặn qua rất nhiều vòng lặp mà không xuống sức.

Hướng thứ hai là làm lại hình dạng của khối kim loại. Họ thiết kế cấu trúc dạng vây hai lớp (double-layer fin-type), vừa truyền nhiệt nhanh hơn, vừa khó bị oằn khi bị nén. Riêng cấu trúc này chịu được hơn 10.000.000 lần nén. Họ cũng gọt lại cả cái máy: số bộ phận giảm một nửa, và tỉ lệ bộ phận không có tác dụng làm lạnh tụt từ 15% xuống 5%.

Kết quả đo được

Đây là những con số nhóm nghiên cứu công bố trên tạp chí Joule, trong bài của tác giả thứ nhất Li Yang cùng cộng sự.

Cái máy giữ công suất làm lạnh 400 oát và giữ chênh lệch nhiệt độ 41 độ C giữa bên nóng và bên lạnh, suốt 1.000.000 chu kỳ hoạt động, không suy giảm. Chênh 41 độ C nghĩa là nếu một đầu ở nhiệt độ phòng khoảng 30 độ C thì đầu kia xuống dưới 0 độ C.

Riêng vật liệu TiNiCuCo được đem thử mỏi tăng tốc, tức là ép liên tục thật nhanh để dồn nhiều năm sử dụng vào một khoảng thời gian ngắn. Sau 100.000.000 lần, nó vẫn chưa mất chức năng. Nhóm nghiên cứu ước tính nếu chạy trong điều kiện làm lạnh thực tế, chất làm lạnh này sẽ hoạt động tin cậy hơn mười năm. Cần lưu ý đây là con số dự kiến, không phải kết quả đã đo.

Còn vướng ở đâu

Phần này quan trọng, vì tin về phát minh thường do chính nơi làm ra thiết bị viết, và họ ít khi kể chỗ dở.

Thứ nhất, nó vẫn là thiết bị trong phòng thí nghiệm. Chưa có máy điều hoà nào dùng công nghệ này được bán, và nhóm nghiên cứu cũng không nói khi nào sẽ có.

Thứ hai, chính giáo sư Sun nêu ra ba việc còn phải làm tiếp: nâng hiệu suất năng lượng, nâng mật độ công suất, và làm cho giá thành cạnh tranh được. Việc thứ ba đáng để ý nhất. Titan và cobalt không phải kim loại rẻ, còn tủ lạnh nén hơi thì đã được sản xuất hàng loạt cả trăm năm nên giá rất thấp. Một công nghệ tốt hơn về môi trường vẫn có thể nằm ngoài tầm với nếu nó quá đắt.

Thứ ba, nguồn tin không đưa ra bất kỳ con số nào về hiệu suất năng lượng, về giá, hay về kích thước và khối lượng của thiết bị. Nghĩa là câu hỏi "cái này có tiết kiệm điện hơn điều hoà nhà mình không" hiện chưa có lời đáp bằng số.

Thử ngay tại chỗ

Bạn lấy một sợi dây chun. Kéo căng thật nhanh rồi lập tức áp lên má hoặc lên môi, chỗ da nhạy nhất. Bạn sẽ thấy nó hơi ấm. Giữ nguyên tư thế căng chừng nửa phút cho nó nguội bằng nhiệt độ không khí, rồi thả lỏng ra và áp lại. Lần này nó mát hơn.

Đó đúng là nguyên lý của cái máy trên, chỉ khác vật liệu: dây chun đổi chỗ cho hợp kim nhớ hình, tay bạn đổi chỗ cho bộ nén.

Và một câu để nghĩ tiếp: nếu điều hoà nhà bạn chạy theo cách bóp và thả kim loại thay vì nén khí, thì thứ gì trong nhà sẽ khác đi? Tiếng ồn, tiền điện, hay cái cục nóng ngoài ban công?

Lưu ý

Bài viết dựa trên tin khoa học đã công bố, viết lại cho bạn đọc nhỏ tuổi. Có chỗ nào con muốn tìm hiểu thêm thì rủ bố mẹ đọc cùng nhé.