Công nghệ làm mát ion-caloric hoàn toàn mới có khả năng thay thế các phương pháp hạ nhiệt hiện tại. Công nghệ làm lạnh này được đánh giá an toàn và thân thiện hơn với Trái Đất.
Các hệ thống làm lạnh thông thường vận chuyển nhiệt ra khỏi không gian thông qua một chất lỏng hấp thụ nhiệt khi nó bay hơi thành khí, sau đó được vận chuyển qua một ống kín và ngưng tụ trở lại thành chất lỏng.
Mặc dù quy trình này hiệu quả, một số vật liệu được chúng ta lựa chọn làm chất làm lạnh lại đặc biệt không thân thiện với môi trường. Tuy nhiên, có nhiều cách để một chất hấp thụ và tỏa nhiệt.
Một phương pháp được công bố vào năm 2023, do các nhà nghiên cứu từ Phòng thí nghiệm Quốc gia Lawrence Berkeley và Đại học California, Berkeley phát triển, tận dụng cách năng lượng được lưu trữ hoặc giải phóng khi vật liệu thay đổi pha, chẳng hạn như khi nước đá rắn chuyển sang nước lỏng.
Tăng nhiệt độ của một khối nước đá sẽ làm nó tan chảy. Điều mà con người không dễ nhận thấy là quá trình tan chảy sẽ hấp thụ nhiệt từ môi trường xung quanh, làm mát nó một cách hiệu quả.
Một cách để làm băng tan chảy mà không cần tăng nhiệt là thêm một vài hạt tích điện, hay còn gọi là ion. Rắc muối lên đường để ngăn băng hình thành là một ví dụ phổ biến về điều này. Chu trình ion nhiệt cũng sử dụng muối để thay đổi pha của chất lỏng và làm mát môi trường xung quanh.
“Môi trường phát triển của chất làm lạnh là một vấn đề chưa có lời giải”, kỹ sư cơ khí Drew Lilley từ Phòng thí nghiệm Quốc gia Lawrence Berkeley ở California cho biết.
“Chưa ai phát triển thành công một giải pháp thay thế có thể làm lạnh mọi thứ, hoạt động hiệu quả, an toàn và không gây hại cho môi trường. Chúng tôi tin rằng chu trình ion-nhiệt-ca-lo có tiềm năng đáp ứng tất cả các mục tiêu đó nếu được thực hiện một cách phù hợp.“
Các nhà nghiên cứu đã mô hình hóa lý thuyết về chu trình ion nhiệt để chứng minh khả năng cạnh tranh, hoặc thậm chí cải thiện hiệu suất của các chất làm lạnh đang được sử dụng hiện nay. Dòng điện chạy qua hệ thống sẽ di chuyển những ion bên trong, làm thay đổi điểm nóng chảy của vật liệu, từ đó thay đổi nhiệt độ.
Nhóm nghiên cứu cũng đã tiến hành các thí nghiệm sử dụng muối được tạo thành từ iốt và natri để làm tan chảy etylen cacbonat. Dung môi hữu cơ phổ biến này cũng được sử dụng trong pin lithium-ion và được sản xuất bằng cách sử dụng carbon dioxide làm đầu vào. Điều này có thể khiến hệ thống không chỉ có GWP (tiềm năng nóng lên toàn cầu) bằng 0 mà còn có GWP âm.
Trong thí nghiệm, sự thay đổi nhiệt độ 25 độ C (45 độ F) đã được đo bằng cách sử dụng điện tích nhỏ hơn một vôn, một kết quả vượt xa những gì các công nghệ nhiệt lượng khác đã đạt được cho đến nay.
“Có ba điều chúng tôi đang cố gắng cân bằng: GWP của chất làm lạnh, hiệu suất năng lượng và chi phí thiết bị” – Kỹ sư cơ khí Ravi Prasher từ Phòng thí nghiệm Quốc gia Lawrence Berkeley cho biết.
“Ngay từ lần thử đầu tiên, dữ liệu của chúng tôi cho thấy rất khả quan trên cả ba khía cạnh này.“
Các hệ thống nén hơi hiện đang được sử dụng trong quy trình làm lạnh dựa trên các loại khí có GWP cao, chẳng hạn như hydrofluorocarbon (HFC).
Những quốc gia đã ký kết Kigali Amendment đã cam kết giảm sản xuất và tiêu thụ HFC ít nhất 80% trong 25 năm tới – và làm mát ion nhiệt có thể đóng một vai trò quan trọng trong việc này.
Giờ đây, các nhà nghiên cứu cần đưa công nghệ này ra khỏi phòng thí nghiệm và đưa vào các hệ thống thực tế, có thể được sử dụng thương mại và mở rộng quy mô mà không gặp bất kỳ vấn đề nào. Cuối cùng, những hệ thống này có thể được sử dụng để sưởi ấm cũng như làm mát.
Các nghiên cứu đang được tiến hành và thử nghiệm với nhiều loại muối khác nhau để xem sự kết hợp nào có thể hiệu quả nhất trong việc thu nhiệt từ không gian. Năm 2025, một nhóm nghiên cứu quốc tế đã công bố kết quả của họ về một phiên bản hiệu suất cao sử dụng muối gốc nitrat, được tái chế bằng điện trường và màng.
Đó chính là điều mà Prasher và nhóm của ông đã dự đoán trước được.
“Chúng tôi có chu trình và khuôn khổ nhiệt động lực học hoàn toàn mới này, kết hợp các yếu tố từ nhiều lĩnh vực khác nhau, và chúng tôi đã chứng minh rằng nó có thể hoạt động” – Prasher nói. Giờ là lúc thử nghiệm để kiểm tra các kết hợp vật liệu và kỹ thuật khác nhau nhằm đáp ứng những thách thức kỹ thuật.“
Nghiên cứu đã được công bố trên tạp chí Science.
