Tạo ra thiết bị có thể biến hơi nóng thành điện năng

Sử dụng vật liệu meta (metamaterial), các nhà khoa học đang phát triển ra một thiết bị có khả năng bức xạ ra những tia hồng ngoại có tần số kiểm soát được. Họ kỳ vọng trong tương lai, thiết bị này có thể tận thu được nhiệt dư thừa từ các hoạt động sản xuất để tái chế thành điện năng.

Tương tự các tia sáng nhìn thấy được, các tia hồng ngoại cũng là một dạng bức xạ điện từ và chúng mang theo năng lượng bên mình. Có thể ví dụ các lò luyện gang, thép, kim loại... là những nguồn bức xạ nhiệt công suất lớn và chúng thường dùng điện để đốt lò. Nhưng do hiệu suất của lò đốt không cao, phần lớn lượng điện năng này chuyển hoá thành nhiệt năng dưới dạng các tia xạ và bị lãng phí ra môi trường. Do đó, các nhà khoa học đã nghĩ cách tận thu lại nguồn nhiệt lãng phí này để biến chúng thành điện năng và tái sử dụng cho các mục đích khác. Kỹ thuật khai thác bức xạ nhiệt để chuyển hoá thành điện được gọi là nhiệt quang điện (thermophotovoltaics - TPV), có bản chất gần giống với điện Mặt Trời.

Cấu tạo của một thiết bị TPV nhằm biến nhiệt năng thành điện năng.

Nhưng cho tới nay, các thiết bị TPV về cơ bản vẫn ít được sử dụng trong thực tế vì dải nhiệt mà chúng có thể hấp thu được khá hẹp, thường phải trên 900°C. Nguyên nhân của tình trạng này chủ yếu nằm ở lớp vật liệu hấp thu/bức xạ (absorb/emit) có khoảng giới hạn làm việc khá hẹp. Chi tiết này dẫn tới hiệu suất chuyển đổi từ nhiệt sang điện rất thấp, không đáng kể để đầu tư. Vì thế, các nhà nghiên cứu thuộc ĐH Duke nằm ở Bắc Carolina (Mỹ) mong muốn cải thiện lại tình trạng trên, từ đó giúp TPV có khả năng ứng dụng cao hơn. Thêm vào đó, nó cho phép tạo ra những "áo choàng hồng ngoại" (infrared optical cloak) hiệu quả hơn dùng để nguỵ trang trước các kính tầm nhiệt trong môi trường quân đội.

Willie J. Padilla, trưởng nhóm nghiên cứu, mô tả về bản chất của lớp bức xạ nhiệt: "Vì lượng bức xạ hồng ngoại, tức cường độ, có thể điều khiển được. Nên lớp bức xạ hồng ngoại mới này có thể mở ra một phương pháp mới để thu hút và tái sử dụng lại nguồn nhiệt bị mất. Có rất nhiều mối quan tâm đến việc tận dụng lại nhiệt dư, và công nghệ của chúng tôi có thể cải thiện tiến trình thu nhiệt này".

Yếu tố cốt lõi trong công nghệ mà Padilla và các sinh viên đặt kỳ vọng là vật liệu meta. Đây là những vật liệu do con người tổng hợp nên, vốn không tồn tại ngoài tự nhiên nhưng lại có một số tính chất cực kỳ đặc biệt, mà bản chất đến từ cấu trúc vật lý khác với cấu trúc vốn có của vật liệu gốc ngoài tự nhiên. Cụ thể, nhóm của Padilla đã kết hợp một vật liệu meta được thiết kế chuyên cho việc hấp thu và bức xạ hồng ngoại có hiệu suất cao, với các hệ thống vi điện tử cơ học (MEMS). Sự kết hợp này đã tạo ra một thiết bị có các thuộc tính hồng ngoại có thể nhanh chóng thay đổi dựa trên thang đo từng pixel một.

Vật liệu meta với các thuộc tính "ngược" vật liệu thông thường trong tự nhiên.

Được đặt tên Optica, thiết bị hồng ngoại này có cấu tạo gồm một mảng 8 x 8 các pixel có thể điều khiển được, mỗi pixel có kích thước 120 x 120 micron (0,12mm). Kết quả đánh giá bước đầu cho thấy Optica có khả năng thu được một khoảng hồng ngoại khá lớn với tần suất lấy mẫu lên đến 110 KHz. Và con số trên vẫn có thể tăng hơn nữa, cho phép nhóm nghiên cứu tạo ra những áo choàng hồng ngoại giúp phân biệt địch/ta trong điều kiện chiến đấu.

Song điểm đáng chú ý nhất so với các thiết bị TPV truyền thống của Optica là nó vẫn có thể thay đổi được các bức xạ hồng ngoại phát ra mà không cần tới bất kỳ phương pháp làm nóng hoặc làm mát nào. Optica vẫn có thể hoạt động ở nhiệt độ bình thường mà khoảng bức xạ hỗ trợ vẫn không bị thu hẹp như các thiết bị TPV cũ. Chi tiết này cho phép các thiết bị TPV dựa trên Optica có thể chuyển hoá được nhiều dạng hồng ngoại hơn sang điện năng, từ cả hơi nóng cơ thể người cho đến hơi nóng động cơ xe, vốn khá thấp so với nhiệt độ phát ra từ các lò nung hoặc nấu chảy kim loại.

Khả năng bức xạ nhiệt tuỳ ý cho phép tạo ra những lớp nguỵ trang "tàng hình" về nhiệt độ.

Trong tương lai, nhóm nghiên cứu đang lên kế hoạch tăng cường kích thước của lớp MEMS lên tới 128 x 128 pixel, cho phép thiết bị này có thể ứng dụng được nhiều hơn. Từ việc biến đổi nhiệt năng hồng ngoại thành điện năng cho tới che giấu bức xạ hồng ngoại và cơ thể người hoặc xe cộ tạo ra, giúp các binh lính nguỵ trang tốt hơn trước các kính tầm nhiệt của đối phương.