Lớp phủ kính giúp giảm nhiệt và tiết kiệm năng lượng

Cửa kính luôn là loại vật tuyệt vời cho các công trình cao tầng, cung cấp tầm nhìn ra bên ngoài cũng như ánh sáng vào không gian bên trong. Tuy nhiên, ánh sáng sẽ sinh ra nhiệt, đặc biệt là trong những tháng hè nóng nực.

Vào những ngày nắng nóng, có tới 87% lượng nhiệt hấp thụ vào nhà là qua cửa sổ. Bức xạ tia cực tím từ ánh sáng mặt trời dễ dàng xuyên qua kính, làm nóng căn phòng và làm tăng lượng điện năng tiêu thụ cho việc làm mát.

Tuy nhiên, các nhà nghiên cứu tại Đại học Notre Dame (Hoa Kỳ) đã phát triển một lớp phủ cửa sổ có tác dụng ngăn chặn tia UV và tia hồng ngoại sinh nhiệt đồng thời không gây ảnh hưởng đến việc truyền sáng vào bên trong, giảm cả nhiệt độ phòng lẫn mức tiêu thụ năng lượng làm mát.

Vào năm 2022, nhóm nghiên cứu đã chế tạo một lớp phủ thủy tinh bằng cách sử dụng những lớp phủ siêu mỏng xếp chồng lên nhau có chiết suất đặc biệt, cho phép ánh sáng truyền đi hoặc phản xạ có chọn lọc tùy thuộc vào bước sóng. Xếp chồng silica, alumina và oxit titan trên đế thủy tinh và phủ lên trên một lớp mỏng silicon polymer (PDMS) để phản xạ bức xạ nhiệt, bức xạ điện từ phát ra từ bề mặt được nung nóng theo mọi hướng, tạo ra một lớp phủ trong suốt, vượt trội so với các loại sơn giảm nhiệt khác trên thị trường.

Các cửa sổ thường được lắp đặt theo chiều dọc nên ánh sáng mặt trời trực tiếp chiếu vào chúng cả ngày sẽ thay đổi khi mặt trời di chuyển. Các lớp phủ cửa sổ hiện tại có xu hướng được tối ưu hóa cho ánh sáng đi vào ở góc 90 độ, do đó khả năng chặn ánh sáng của chúng phụ thuộc vào góc tới mặt trời này. Vào buổi trưa, thời điểm nóng nhất trong ngày, ánh sáng mặt trời chiếu vào cửa sổ theo góc xiên, nghĩa là hầu hết các lớp phủ đều kém hiệu quả trong việc ngăn chặn ánh nắng.

Để giải quyết vấn đề này, các nhà nghiên cứu đã sử dụng mô hình học máy được hỗ trợ bởi điện toán lượng tử. Bằng cách sử dụng các thành phần đã sử dụng trước đó, các nhà nghiên cứu đã chế tạo một lớp phủ trong suốt có khả năng truyền và phản xạ ánh sáng có chọn lọc trên nhiều góc tới.

Cửa sổ tráng và cửa sổ bằng kính thông thường được đặt thẳng đứng trong các buồng ngoài trời giống hệt nhau. Các nhà nghiên cứu đã đo nhiệt độ ban ngày trong mỗi buồng. Họ cũng thử nghiệm kính bằng cách đặt cửa sổ nằm ngang, hướng lên trời, để mô phỏng cửa sổ trời của ô tô. Kính tráng phủ đã thể hiện hiệu suất vượt trội so với kính thông thường, giảm nhiệt độ từ 5,4°C đến 7,2°C trên nhiều góc tới.

Nhóm nghiên cứu cho biết: “Sau cuộc thử nghiệm, đã cho thấy lớp phủ của chúng tôi duy trì chức năng và hiệu quả bất kể vị trí của mặt trời”.

Để ước tính mức tiết kiệm năng lượng, các nhà nghiên cứu đã sử dụng phần mềm EnergyPlus để mô phỏng mức tiêu thụ năng lượng tại các văn phòng tiêu chuẩn ở các thành phố khác nhau. Họ đã chứng minh rằng tất cả các thành phố ở Mỹ có thể tiết kiệm tới 97,5 MJ/m² hàng năm.

Điều này cho thấy được vật liệu có nhiều ứng dụng cho lớp phủ cửa kính, bao gồm các tòa nhà thương mại, dân cư và ô tô. Tuy nhiên, các nhà nghiên cứu vẫn cần xác định khả năng mở rộng của lớp phủ cửa sổ.