Xi măng làm mát thụ động: Hướng đi mới cho vật liệu xây dựng tiết kiệm năng lượng

Các nhà khoa học Trung Quốc vừa phát triển thành công một loại xi măng có khả năng làm mát thụ động, giúp giảm nhiệt độ bề mặt và không gian trong công trình hơn 5°C mà không cần sử dụng điện năng. Công nghệ này được kỳ vọng sẽ tạo ra bước ngoặt lớn cho ngành xây dựng trong bối cảnh nhu cầu tiết kiệm năng lượng và giảm phát thải carbon ngày càng trở nên cấp thiết.

Công nghệ xi măng làm mát giúp giảm nhiệt độ trong nhà hơn 5°C mà không cần sử dụng điện, thông qua cơ chế làm mát bức xạ phản xạ ánh nắng và phát xạ nhiệt ra không gian, đồng thời cắt giảm 25% phát thải carbon.

Khi các công trình xây dựng ngày càng chiếm tỷ trọng lớn trong tiêu thụ năng lượng toàn cầu và phát thải khí nhà kính, việc phát triển các vật liệu xây dựng thông minh, thân thiện môi trường đang trở thành xu hướng tất yếu của ngành xi măng. Trong bối cảnh đó, công nghệ xi măng làm mát do các nhà khoa học Trung Quốc nghiên cứu và phát triển đang mở ra một hướng tiếp cận mới, cho phép công trình giảm nhiệt hiệu quả mà không cần sử dụng điện năng.

Theo các nhà nghiên cứu, các công trình xây dựng hiện chiếm khoảng 40% tổng mức tiêu thụ năng lượng toàn cầu và tạo ra gần 36% lượng khí thải carbon dioxide. Phần lớn tác động môi trường này đến từ giai đoạn vận hành công trình, đặc biệt là nhu cầu làm mát không gian bên trong bằng các hệ thống điều hòa không khí tiêu tốn nhiều điện năng. 

Trong khi đó, vật liệu xi măng và bê tông truyền thống có xu hướng hấp thụ và tích trữ nhiệt từ ánh nắng mặt trời, làm gia tăng nhiệt độ bề mặt và buộc người sử dụng phải tăng cường làm mát cơ học.

Công nghệ xi măng làm mát mới được phát triển nhằm đảo ngược hoàn toàn đặc tính này. Thay vì hấp thụ nhiệt, vật liệu mới có khả năng phản xạ phần lớn bức xạ mặt trời và đồng thời phát xạ nhiệt ra không gian thông qua cơ chế làm mát bức xạ. Đây là một quá trình vật lý cho phép vật liệu tỏa nhiệt dưới dạng bức xạ hồng ngoại xuyên qua cửa sổ khí quyển của Trái đất, ngay cả khi tiếp xúc trực tiếp với ánh nắng.

Để đạt được hiệu quả này, nhóm nghiên cứu đã tiếp cận theo hướng tái thiết kế cấu trúc và thành phần hóa học của xi măng ở cấp độ vi mô. Nguyên liệu đầu vào bao gồm các hợp chất giàu canxi, nhôm, silic và lưu huỳnh. 

Sự kết hợp giữa các hợp chất nhôm và lưu huỳnh giúp vật liệu có khả năng phát xạ mạnh trong vùng hồng ngoại trung bình, cho phép nhiệt lượng thoát ra ngoài không gian thay vì tích tụ trong công trình.

Một điểm then chốt của công nghệ là việc gia tăng hàm lượng ettringite, một khoáng chất canxi nhôm sulfat vốn chỉ tồn tại với hàm lượng nhỏ trong xi măng thông thường. 

Bằng cách sử dụng khuôn cao su và áp lực trong quá trình tạo hình, nhóm nghiên cứu đã tạo ra cấu trúc xi măng chứa nhiều tinh thể ettringite với kích thước khác nhau. Sự phân bố đa kích thước này giúp tán xạ ánh sáng theo nhiều hướng, làm tăng khả năng phản xạ bức xạ mặt trời và giảm hấp thụ nhiệt.

Kết quả thử nghiệm thực tế cho thấy bề mặt xi măng làm mát có nhiệt độ thấp hơn không khí xung quanh trung bình 5,4°C và thấp hơn tới 26°C so với xi măng truyền thống khi tiếp xúc trực tiếp với ánh nắng. Mức giảm nhiệt này giúp hạ đáng kể nhiệt độ bên trong công trình, từ đó giảm nhu cầu sử dụng điều hòa không khí và điện năng tiêu thụ.

Bên cạnh hiệu quả nhiệt, các thử nghiệm trong phòng thí nghiệm cho thấy vật liệu vẫn đảm bảo các yêu cầu cơ học và độ bền cần thiết cho xây dựng. Xi măng làm mát có khả năng chống mài mòn, chịu được môi trường ăn mòn, bức xạ tia cực tím và các chu kỳ đóng băng tan băng thường gây suy giảm chất lượng vật liệu theo thời gian. Điều này cho thấy công nghệ không chỉ phù hợp về mặt năng lượng mà còn đáp ứng yêu cầu sử dụng lâu dài trong điều kiện thực tế.

Một lợi thế quan trọng khác của công nghệ là khả năng sản xuất trên quy mô công nghiệp. Quy trình chế tạo được đánh giá là đơn giản, chi phí hợp lý và không yêu cầu vật liệu hiếm hay thiết bị phức tạp. Các nhà máy xi măng hiện nay có thể điều chỉnh dây chuyền sản xuất với những thay đổi tương đối nhỏ để tạo ra loại vật liệu mới này.

Việc ứng dụng rộng rãi xi măng làm mát trong xây dựng đô thị được kỳ vọng sẽ góp phần giảm hiệu ứng đảo nhiệt, cải thiện điều kiện sống tại các thành phố lớn và giảm áp lực lên hệ thống điện trong các đợt nắng nóng cao điểm. 

Ngoài lợi ích trong giai đoạn sử dụng, quy trình sản xuất vật liệu mới còn giúp giảm khoảng 25% lượng phát thải carbon so với sản xuất xi măng thông thường. Đây là con số đáng chú ý trong bối cảnh ngành xi măng hiện chiếm khoảng 8% tổng lượng khí thải carbon dioxide toàn cầu.

Công nghệ xi măng làm mát có thể được ứng dụng linh hoạt cho nhiều hạng mục xây dựng như lớp phủ bề mặt, mái và tường công trình. Việc lựa chọn hình thức sử dụng có thể điều chỉnh theo điều kiện khí hậu, phương pháp xây dựng và yêu cầu kiến trúc của từng khu vực, tạo thuận lợi cho quá trình triển khai tại nhiều quốc gia khác nhau.

Trong bối cảnh nhu cầu làm mát không gian ngày càng gia tăng do biến đổi khí hậu, đô thị hóa và nâng cao mức sống, các giải pháp làm mát thụ động bằng vật liệu xây dựng được xem là hướng đi bền vững. Đặc biệt tại các quốc gia đang phát triển, nơi hạ tầng điện còn hạn chế, công nghệ này có thể mang lại lợi ích thiết thực mà không đòi hỏi đầu tư lớn cho lưới điện hay thiết bị cơ khí.

Nhóm nghiên cứu nhận định rằng nếu được kết hợp với các giải pháp xây dựng xanh khác, xi măng làm mát có tiềm năng góp phần chuyển đổi ngành xi măng theo hướng phát thải thấp, thậm chí tiến tới cân bằng hoặc âm carbon trong dài hạn. Trong thời gian tới, các nghiên cứu tiếp theo sẽ tập trung tối ưu vật liệu cho từng vùng khí hậu và mở rộng ứng dụng trong thực tiễn xây dựng.

Xi măng làm mát thụ động không chỉ là một cải tiến vật liệu đơn lẻ, mà phản ánh xu hướng chuyển dịch của ngành xi măng từ “vật liệu kết cấu” sang “vật liệu chức năng”. Trong dài hạn, đây có thể trở thành một cấu phần quan trọng của hệ sinh thái vật liệu xây dựng tiết kiệm năng lượng, đặc biệt khi bài toán chi phí điện, phát thải và chất lượng sống đô thị ngày càng trở nên cấp thiết.

Buildata