Các nhà nghiên cứu của Đại học Kỹ thuật Toronto ở Canada 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. Họ làm điều này bằng cách tối ưu hóa bước sóng, cường độ và sự phân tán ánh sáng truyền qua cửa sổ.

Chi phí thấp, hiệu quả cao

So với các công nghệ hiện có, cửa sổ lỏng cung cấp khả năng kiểm soát tốt hơn nhiều trong khi vẫn giữ chi phí thấp do sử dụng các thành phần đơn giản và có sẵn.

“Các tòa nhà sử dụng rất nhiều năng lượng để sưởi ấm, làm mát và chiếu sáng không gian bên trong chúng” – tác giả nghiên cứu Raphael Kay nói trong bài báo đăng trên tạp chí PNAS.

Ông cho rằng, nếu chúng ta có thể kiểm soát một cách có chiến lược đối với số lượng, loại và hướng của năng lượng mặt trời đi vào các tòa nhà của mình, chúng ta có thể giảm đáng kể khối lượng công việc cho máy sưởi, máy lạnh và đèn chiếu sáng.

Hiện tại, một số công nghệ xây dựng thông minh như rèm tự động hoặc cửa sổ điện sắc (electrochronic) vốn có khả năng thay đổi độ mờ của chúng để phản ứng với dòng điện, có thể được sử dụng để kiểm soát lượng ánh sáng mặt trời chiếu vào phòng.

Tuy nhiên, ông Kay nói rằng, các hệ thống này bị hạn chế vì chúng không thể phân biệt giữa các bước sóng ánh sáng khác nhau, cũng như không thể kiểm soát sự phân bố của ánh sáng trong không gian.

Ông cho biết, 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 mùa Đông, mọi người muốn cho cả 2 loại ánh sáng nhìn được và không nhìn được vào nhà nhưng mùa Hè thì chỉ muốn cho ánh sáng nhìn thấy vào. Các hệ thống hiện tại thường không thể làm điều này: Chúng chặn cả 2 hoặc không. Chúng cũng không có khả năng định hướng hoặc tán xạ ánh sáng theo những cách có lợi.

Hệ thống trên do Kay và nhóm do Giáo sư Ben Hatton đứng đầu, nó tận dụng sức mạnh của vi lưu (microfluidic) để đưa ra một giải pháp thay thế. Đây là việc xử lý và phân tích chất lỏng ở thang đo micromet.

Hệ thống của họ bao gồm các tấm nhựa phẳng với các rãnh dày hàng milimet để chất lỏng có thể được bơm qua đó. Chất lỏng này có thể được trộn các sắc tố, hạt hoặc phân tử khác để kiểm soát loại ánh sáng đi qua. Từ đây, nó có thể điều chỉnh hướng của ánh sáng theo từng loại.

Những tấm này có thể được kết hợp thành một chồng nhiều lớp, 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 vào trong nhà.

Hệ thống có thể tối ưu hóa khả năng truyền ánh sáng các máy bơm nhỏ, được điều khiển kỹ thuật số, để thêm hoặc loại bỏ chất lỏng khỏi mỗi lớp.

“Nó đơn giản và có chi phí thấp, nhưng cho phép sự kiểm soát đáng kinh ngạc” – ông Kay nói và cho rằng, điều này có thể áp dụng với quy mô lớn, ví như lắp cho mặt ngoài của một tòa nhà. Công trình trên được xây dựng dựa trên một hệ thống khác sử dụng sắc tố được bơm vào, được phát triển bởi cùng một nhóm vào đầu năm nay.

Mẫu thiết kế của Đại học Kỹ thuật Toronto mở ra khả năng tiết kiệm nhiên liệu cho các tòa nhà.

Áp dụng trí tuệ nhân tạo

Mặc dù, nghiên cứu đó lấy cảm hứng từ khả năng thay đổi màu sắc của các loài động vật chân đốt ở biển, nhưng hệ thống hiện tại tương tự như lớp da nhiều lớp của mực ống.

Nhiều loài mực có lớp da chứa nhiều 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 iridophore tác động đến phản xạ và ánh kim.

Chúng 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. Nhóm cũng đã mô phỏng các thuật toán điều khiển khác nhau để kích hoạt hoặc hủy kích hoạt các lớp chất lỏng để đáp ứng với các điều kiện xung quanh thay đổi.

Trong nghiên cứu này, các thuật toán điều khiển do con người thiết kế, nhưng Giáo sư Ben Hatton chỉ ra rằng, việc 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.

Ông cho rằng, ý tưởng về một tòa nhà có khả năng học và tự điều chỉnh hệ thống năng động này nhằm tối ưu hóa những thay đổi của năng lượng mặt trời theo mùa và hàng ngày là điều rất thú vị.

Nhóm của ông đang tìm cách mở rộng quy mô một cách hiệu quả để người sử dụng thực sự có thể bao phủ toàn bộ tòa nhà bằng hệ thống này. Điều đó sẽ tốn nhiều công sức nhưng xét đến việc dùng các vật liệu đơn giản, không độc hại, chi phí thấp, thì đó là một thách thức có thể giải quyết được.

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