Lớp kính thông minh có thể làm mát các tòa nhà thủy tinh

Các nhà nghiên cứu tại Viện Fraunhofer đã phát triển một lớp phủ thông minh cho kính xây dựng có thể tự động sẫm màu khi có ánh nắng mặt trời. Công nghệ này kết hợp các vật liệu điện sắc và nhiệt sắc, phản ứng với cả kích thích điện và thay đổi nhiệt độ. Trong các tòa nhà hiện đại với các bức tường kính lớn, lớp phủ này làm giảm hiệu quả tình trạng quá nhiệt trong nhà do bức xạ mặt trời, từ đó giảm sự phụ thuộc vào các hệ thống điều hòa không khí tiêu tốn nhiều năng lượng.

Ngành xây dựng là một trong những nguồn phát thải khí nhà kính lớn trên toàn cầu. Ví dụ, ở Đức, theo thống kê từ Cơ quan Môi trường Liên bang, lĩnh vực xây dựng chiếm khoảng 30% lượng khí thải carbon dioxide của đất nước và 35% mức tiêu thụ năng lượng. Các tòa nhà có mặt tiền và mái bằng kính lớn, đặc biệt là các cấu trúc văn phòng, trải qua sự gia tăng nhiệt độ trong nhà mạnh mẽ trong thời gian bức xạ mặt trời mùa hè mạnh. Các thiết bị che nắng truyền thống như rèm và màn thường làm giảm tính thẩm mỹ trực quan và cản trở tầm nhìn. Kết quả là, các tòa nhà như vậy thường dựa vào điều hòa không khí để làm mát, dẫn đến tiêu thụ điện năng cao và tăng lượng khí thải carbon.

Để giải quyết vấn đề này, Viện Nghiên cứu Silicat Fraunhofer (ISC) và Viện Điện tử hữu cơ, Chùm tia điện tử và Công nghệ plasma Fraunhofer (FEP) đã cùng nhau dẫn đầu dự án "Switch2Save" do EU tài trợ. Họ đã hợp tác với các trường đại học và đối tác công nghiệp trên khắp một số quốc gia châu Âu để thúc đẩy sự phát triển và ứng dụng công nghệ lớp phủ cửa sổ thông minh.

Trong hệ thống lớp phủ thông minh này, thành phần điện sắc dựa trên một lớp màng dẫn điện trong suốt. Việc áp dụng điện áp cho màng kích hoạt sự di chuyển của các ion và electron, cho phép kính chuyển đổi thuận nghịch từ trong suốt sang tối. Mặt khác, lớp phủ nhiệt sắc tự động phản xạ nhiệt mặt trời khi nhiệt độ môi trường đạt đến một ngưỡng cụ thể, hoạt động mà không cần nguồn điện bên ngoài như một cơ chế phản ứng thụ động.

Các yếu tố điện sắc có thể được tích hợp với các cảm biến và hệ thống điều khiển để theo dõi cường độ ánh sáng và nhiệt độ trong thời gian thực. Khi các giá trị vượt quá các thông số đã đặt, hệ thống sẽ gửi tín hiệu điện đến màng dẫn điện, dần dần làm tối kính. Điều này ngăn chặn hiệu quả sự hấp thụ nhiệt và cung cấp chức năng chống chói. Vào những ngày nhiều mây hoặc vào ban đêm, kính trở lại trong suốt hoàn toàn, tối đa hóa việc đưa ánh sáng tự nhiên vào.

Công nghệ này đã được triển khai trong các ứng dụng xây dựng thực tế. Ví dụ, hệ thống kính thông minh này đã được lắp đặt tại phòng khám nhi của một bệnh viện lớn ở Athens, Hy Lạp và một tòa nhà văn phòng ở Uppsala, Thụy Điển. Các nhà nghiên cứu sẽ tiến hành một nghiên cứu theo dõi mức tiêu thụ năng lượng kéo dài một năm để so sánh việc sử dụng điện của các hệ thống điều hòa không khí trước và sau khi cải tạo, xác minh hiệu suất tiết kiệm năng lượng trong điều kiện khí hậu thực tế.

Về mặt sản xuất, nhóm sử dụng các quy trình hóa học ướt và công nghệ phủ chân không. Lớp phủ điện sắc được tích hợp trên một màng polyme dẻo, trong khi lớp nhiệt sắc được chuẩn bị trên một lớp nền kính siêu mỏng. Các phương pháp sản xuất cuộn-cuộn cho phép sản xuất tiết kiệm và có thể mở rộng. Sản phẩm cuối cùng chỉ dày vài trăm micromet và nặng dưới 500 gram trên một mét vuông, giúp dễ dàng lắp đặt trong các cửa sổ tòa nhà hiện có mà không cần sửa đổi cấu trúc.

Hiện tại, nhóm dự án đang tập trung vào việc tăng cường hơn nữa khả năng ứng dụng của công nghệ. Các nỗ lực bao gồm kết hợp các đơn vị điện sắc và nhiệt sắc để cải thiện tính linh hoạt về quy định, phát triển các quy trình phủ phù hợp với kính cong và mở rộng các tùy chọn màu sắc ngoài màu xám và xanh lam để đáp ứng các nhu cầu thẩm mỹ kiến trúc đa dạng.

Khi sự nóng lên toàn cầu và Thỏa thuận Xanh của EU tiến triển, nhu cầu về các công nghệ xây dựng tiết kiệm năng lượng đang tăng lên nhanh chóng. Tất cả các tòa nhà ở EU dự kiến sẽ đạt được mức trung hòa carbon vào năm 2050. Các công nghệ cửa sổ thông minh như Switch2Save được dự đoán sẽ đóng một vai trò quan trọng trong việc thúc đẩy quá trình chuyển đổi carbon thấp của ngành xây dựng.