Sơn làm mát thu nước từ không khí loãng

Các nhà nghiên cứu tại Đại học Sydney và công ty khởi nghiệp Dewpoint Innovations đã phát triển một lớp phủ giống như sơn polymer được chế tạo ở cấp độ nano, có thể làm mát các tòa nhà một cách thụ động và thu nước trực tiếp từ không khí – tất cả đều không cần năng lượng đầu vào.

Phát minh này có thể giúp giải quyết tình trạng khan hiếm nước trên toàn cầu và giúp làm mát các tòa nhà, giảm nhu cầu về các hệ thống sử dụng nhiều năng lượng.

Nhóm nghiên cứu do Giáo sư Chiara Neto dẫn đầu đã tạo ra một lớp phủ polymer xốp phản chiếu tới 97% ánh sáng mặt trời và tỏa nhiệt vào không khí, giữ cho bề mặt mát hơn tới 6 độ so với không khí xung quanh ngay cả dưới ánh nắng trực tiếp. Quá trình này tạo điều kiện lý tưởng để hơi nước trong khí quyển ngưng tụ thành giọt trên bề mặt làm mát, giống như cách hơi nước ngưng tụ trên gương phòng tắm của bạn.

Neto, từ Viện Nano và Trường Hóa học của Đại học Sydney, cho biết những phát hiện này có thể có ý nghĩa sâu rộng.

Bà nói: “Công nghệ này không chỉ thúc đẩy khoa học về lớp phủ mái mát mà còn mở ra cơ hội cho các nguồn nước ngọt bền vững, chi phí thấp và phi tập trung – một nhu cầu quan trọng khi đối mặt với biến đổi khí hậu và tình trạng khan hiếm nước ngày càng tăng”.

Trong nghiên cứu ngoài trời kéo dài sáu tháng được thực hiện trên mái nhà của Trung tâm khoa học nano Sydney, sương có thể được thu thập hơn 32% trong năm và do đó có thể cung cấp nguồn cung cấp nước bền vững và có thể dự đoán được ngay cả trong thời kỳ không có mưa. Trong điều kiện tối ưu, lớp phủ có thể thu được tới 390 mL nước trên mỗi mét vuông mỗi ngày – đủ để bề mặt 12 mét vuông cung cấp nhu cầu uống nước hàng ngày của một người.

Nghiên cứu được công bố trên Vật liệu chức năng nâng caocho thấy khả năng làm mát thụ động và thu giữ nước trong khí quyển có thể được tích hợp vào một vật liệu giống như sơn để sử dụng trên quy mô lớn.

Diện tích thu gom lớn hơn có nghĩa là sơn có thể linh hoạt trong công nghiệp: nước cho động vật, làm vườn cho cây trồng có giá trị cao, sử dụng để làm mát bằng cách phun sương hoặc sử dụng trong sản xuất hydro (cần khoảng 9 lít nước cho mỗi kg hydro trong điện phân).

Không giống như các loại sơn trắng truyền thống, các lớp phủ xốp được làm từ polyvinylidene fluoride-co-hexafluoropropene hoặc PVDF-HFP không dựa vào các sắc tố phản chiếu tia cực tím như titan dioxide.

Tiến sĩ Ming Chiu, tác giả chính của nghiên cứu và Giám đốc Công nghệ của Dewpoint Innovations cho biết: “Thiết kế của chúng tôi đạt được độ phản xạ cao thông qua cấu trúc xốp bên trong, mang lại độ bền mà không gây ra những hạn chế về môi trường như lớp phủ dựa trên sắc tố”.

“Bằng cách loại bỏ các vật liệu hấp thụ tia cực tím, chúng tôi đã vượt qua giới hạn truyền thống về độ phản xạ mặt trời đồng thời tránh ánh sáng chói do phản xạ khuếch tán. Sự cân bằng giữa hiệu suất và sự thoải mái về mặt thị giác giúp dễ dàng tích hợp hơn và hấp dẫn hơn đối với các ứng dụng trong thế giới thực.”

Trong thử nghiệm ngoài trời kéo dài sáu tháng, nhóm nghiên cứu đã ghi lại dữ liệu thu thập nước và làm mát từng phút, xác nhận hiệu suất mạnh mẽ và không bị suy giảm dưới ánh nắng khắc nghiệt ở Úc. Các công nghệ tương tự đã được chứng minh là nhanh chóng xuống cấp.

Ngoài việc thu hoạch nước, những lớp phủ này có thể giúp giảm hiệu ứng đảo nhiệt đô thị, giảm nhu cầu năng lượng cho điều hòa không khí và cung cấp nguồn nước thích ứng với khí hậu ở những khu vực phải đối mặt với căng thẳng về nhiệt và nước ngày càng tăng.

Neto, cũng là thành viên của Viện Net Zero thuộc Đại học Sydney, cho biết nghiên cứu này cũng thách thức giả định rằng việc thu thập sương chỉ có tác dụng ở những vùng có khí hậu ẩm ướt.

“Trong khi điều kiện ẩm ướt là lý tưởng, sương có thể hình thành ngay cả ở những vùng khô cằn và bán khô cằn nơi độ ẩm vào ban đêm tăng lên. Vấn đề không phải là thay thế lượng mưa mà là bổ sung lượng nước đó – cung cấp nước ở những nơi và khi các nguồn khác trở nên hạn chế.”

Để mang phát hiện này từ phòng thí nghiệm lên mái nhà, Dewpoint Innovations hiện đang phát triển một công thức sơn gốc nước có thể thi công bằng cách sử dụng con lăn hoặc máy phun thông thường.

Perzaan Mehta, Giám đốc điều hành của Dewpoint Innovations cho biết: “Tại Dewpoint, chúng tôi tự hào hợp tác với Đại học Sydney để mang bước đột phá này vào cuộc sống trong việc thu hoạch nước khí quyển thụ động thông qua các lớp phủ gốc sơn tiên tiến”.

“Đó là một giải pháp không cần năng lượng, có thể mở rộng, biến mái nhà và cơ sở hạ tầng ở xa thành nguồn nước sạch đáng tin cậy, giúp giải quyết thách thức cấp bách của thời đại chúng ta.”

Với hơn hai triệu ngôi nhà ở Úc đã thu thập nước mưa, Neto cho biết mái nhà thu sương có thể bổ sung cho các hệ thống hiện có.

Cô nói: “Hãy tưởng tượng những mái nhà không chỉ mát hơn mà còn có thể tự tạo ra nước ngọt – đó là lời hứa của công nghệ này”.

Chú thích hình ảnh: Giáo sư Chiara Neto (trái) và Tiến sĩ Ming Chiu đang cầm một trong những viên gạch phủ polyme được sử dụng trong thí nghiệm.