Các nhà nghiên cứu từ Viện hàn lâm khoa học Trung Quốc vừa vượt qua được trở ngại lâu năm trong ngành làm lạnh, bằng cách phát triển phương pháp làm lạnh mới, có thể giảm lượng khí thải carbon xuống bằng không. Nghiên cứu được công bố trên tạp chí Nature.

Dưới sự dẫn dắt của Giáo sư Li Bing tại Viện nghiên cứu kim loại, nhóm nghiên cứu giới thiệu một kỹ thuật dựa trên hiệu ứng hòa tan barocaloric, mang đến một giải pháp sạch hơn, thay thế cho phương pháp làm lạnh nén hơi truyền thống.

Hệ thống làm lạnh rất cần thiết cho cuộc sống hiện đại, từ bảo quản thực phẩm đến làm mát trung tâm dữ liệu, nhưng chúng lại gây tác động môi trường rất lớn. Hệ thống làm lạnh thông thường phụ thuộc rất nhiều vào điện năng, góp phần đáng kể vào lượng khí thải carbon toàn cầu.

Làm lạnh trạng thái rắn từ lâu được xem là lựa chọn thân thiện hơn với môi trường, nhưng việc ứng dụng thực tế của nó còn hạn chế. Thách thức chính là khả năng truyền nhiệt kém, ngăn cản chất làm lạnh thể rắn hoạt động hiệu quả ở quy mô lớn.

Các nhà nghiên cứu tìm ra cách khắc phục rào cản này, bằng cách kết hợp hiệu ứng làm lạnh của chất rắn với dòng chảy chất lỏng. Trong quá trình nghiên cứu muối ammonium thiocyanate, họ nhận thấy, khi muối này hòa tan trong nước, nó giải phóng một lượng nhiệt lớn.

Việc áp dụng áp suất sẽ đảo ngược quá trình, khiến muối kết tủa trở lại. Chu kỳ thuận nghịch này cho phép làm mát liên tục khi áp suất được cung cấp và giải phóng, làm cho nó phù hợp với các hệ thống làm lạnh.

Không giống như phương pháp làm lạnh trạng thái rắn thông thường, nơi nhiệt khó truyền qua các ranh giới vật liệu, phương pháp này tích hợp chất làm lạnh và môi chất truyền nhiệt vào một chất lỏng duy nhất.

Cách tiếp cận này giải quyết được vấn đề mà các nhà nghiên cứu mô tả là “tam giác bất khả thi” của các vật liệu nhiệt lượng, bằng cách tạo ra công suất làm mát cao, lượng khí thải thấp và truyền nhiệt hiệu quả cùng một lúc.

Các thí nghiệm trong phòng thí nghiệm cho thấy phương pháp này có hiệu suất vượt trội. Ở nhiệt độ phòng, hệ thống tạo ra sự giảm nhiệt độ gần 30 Kelvin chỉ trong 20 giây. Ở nhiệt độ cao hơn, phạm vi làm mát đạt tới 54 Kelvin.

Những con số này vượt xa hiệu suất của các vật liệu nhiệt lượng (barocaloric) trạng thái rắn hiện có. Mô phỏng chu kỳ làm mát nguyên mẫu cũng cho thấy khả năng làm mát là 67 joule trên mỗi gram, với hiệu suất đạt gần 77%.

Sử dụng các kỹ thuật quang phổ tại chỗ, nhóm nghiên cứu xác nhận rằng quá trình làm lạnh ổn định, có thể đảo ngược và phản ứng tức thì với sự thay đổi áp suất. Các đặc điểm này rất quan trọng đối với hệ thống làm lạnh thực tế, cần hoạt động đáng tin cậy trong thời gian dài.

Công nghệ này khác biệt so với các nguyên lý làm mát truyền thống dựa trên sự nén khí hoặc sự thay đổi pha rắn. Bằng cách chuyển chất làm mát thành dạng lỏng có thể bơm được, hệ thống có thể di chuyển trực tiếp qua các bộ trao đổi nhiệt, đơn giản hóa thiết kế và tăng hiệu suất.

Hiệu suất mạnh mẽ ở nhiệt độ cao cũng làm cho công nghệ này trở nên đặc biệt hấp dẫn để làm mát các trung tâm điện toán trí tuệ nhân tạo thế hệ tiếp theo, nơi tải nhiệt cực lớn và hiệu quả năng lượng là rất quan trọng.

Theo nhóm nghiên cứu, phương pháp này có thể định hình lại cách thiết kế hệ thống làm mát, giảm cả mức sử dụng điện năng và lượng khí thải carbon trên nhiều ngành công nghiệp. Điều này mở ra hướng đi cho việc làm lạnh không phát thải cho cả các cơ sở công nghiệp và hộ gia đình.