Đại học Cincinnati (Mỹ) vừa trình làng một nghiên cứu có thể tạo bước đột phá thay đổi công nghệ chiếu sáng nội thất trong tương lai. Vẫn là mặt trời, nguồn năng lượng sạch, dồi dào và miễn phí nhưng theo một cách hoàn toàn khác biệt.
Không phải đồ nội thất đắt tiền, không phải lối trang trí cầu kỳ, cũng không phải trang thiết bị hiện đại, mà là “ánh sáng” góp phần quan trọng tạo nên một công trình xây dựng hoàn hảo.
Còn gì tuyệt bằng căn phòng tràn ngập ánh sáng tự nhiên! Tia nắng ấm áp, ánh trăng bàng bạc hay ánh sao nhấp nháy qua khung cửa… là loại ánh sáng trung thực, dễ chịu và tốt nhất cho thị lực. Tiếc thay, nguồn sáng này không thể chủ động về thời gian, cường độ, vị trí và đặc biệt “bó tay” với những căn phòng không cửa sổ.
Để thắp sáng những “vùng sâu vùng xa” trong các tòa nhà, các cao ốc không giếng trời, hay nhà không cửa sổ,.. người ta phải nhờ đến nguồn sáng nhân tạo. Ánh sáng từ đèn, nến…tuy đẹp, dễ thiết kế và điều chỉnh nhưng tiêu tốn nhiều năng lượng. Dùng ánh sáng mặt trời chuyển thành điện năng để vận hành thiết bị chiếu sáng đang là công nghệ được khuyến khích sử dụng hiện nay, vừa tận dụng được tài nguyên thiên nhiên sẵn có, vừa sạch, vừa tha hồ xài không lo hết, nhưng cần phải qua 3 bước: Ánh sáng mặt trời ® Điện mặt trời ® Ánh sáng đèn điện. Liệu có cách nào ngắn hơn để chiếu sáng trong nhà bằng năng lượng mặt trời?
SmartLight rút ngắn quy trình chiếu sáng
Tại diễn đàn năng lượng quốc tế CasaClima (Ý) năm 2013, công nghệ chiếu sáng SmartLight của hai nhà nghiên cứu Anton Harfmann và Jason Heikenfeld (Đại học Cincinnati) đã trình diễn một “con đường” năng lượng ngoạn mục: Ánh sáng mặt trời ® Ánh sáng cho tòa nhà.
Hiệu quả hơn hẳn quy trình sử dụng năng lượng mặt trời truyền thống, hệ thống SmartLight có khả năng thu, giữ và truyền tải trực tiếp ánh sáng mặt trời. Ánh mặt trời vào trong hệ thống và “di chuyển” đến khu vực cần sử dụng, không cần biến đổi thành điện năng nên không hề thất thoát năng lượng. Một cách sử dụng ánh sáng mặt trời hoàn toàn mới!.
Là kết quả sự hợp tác liên ngành giữa giáo sư Harfmann –khoa kiến trúc và thiết kế nội thất, với giáo sư Heikenfeld – khoa kỹ thuật điện và hệ thống máy tính, SmartLight hội tụ cả yếu tố hiệu quả lẫn thẩm mỹ của một công nghệ chiếu sáng hiện đại.
Bài giới thiệu: “SmartLight - Enhancing Fenestration to Improve Solar Distribution in Buildings" (tạm dịch “SmartLight - Cải thiện việc phân phối ánh sáng mặt trời trong các tòa nhà”) đã nhận được sự quan tâm của rất nhiều chuyên gia trong lĩnh vực chiếu sáng tại diễn đàn năng lượng quốc tế CasaClima năm 2013. Hãy tưởng tượng những tòa nhà tương lai với hệ thống chiếu sáng không cần dây điện, bóng đèn, công tắc đèn,... Thay vào đó, ánh sáng tự nhiên chiếu xuyên khắp các căn phòng; văn phòng tự bừng sáng khi bạn bước vào; mọi thứ đều điều khiển từ xa hoặc hoàn toàn tự động. Đó là viễn cảnh tươi đẹp mà SmartLight hứa hẹn mang lại.
Tế bào điện lỏng, mỏng nhưng sống động
SmartLight là dải lưới mỏng, cấu thành từ nhiều tế bào điện lỏng (electrofluidic cells) bé xíu xiu, kích thước chỉ từ 4-5 milimet, chứa đầy loại chất lỏng có tính chất quang học đặc biệt. Mỗi tế bào hoạt động nhờ một mảnh pin mặt trời nhúng bên trong chất lỏng.
Một số lưới SmartLight gắn phía trên các cửa sổ để thu ánh sáng mặt trời, một số khác gắn ở vị trí tương ứng trên các bức tường (ở những phòng cần ánh sáng) để nhận ánh sáng truyền đến. Lưới SmartLight (trên cửa sổ) nhận ánh sáng mặt trời, kích hoạt tế bào hoạt động. Bề mặt chất lỏng bên trong tế bào biến đổi linh hoạt thành dạng thấu kính hay lăng kính, có thể điều chỉnh hướng và cường độ ánh sáng đi qua hoặc truyền ánh sáng đến lưới SmartLight gắn trên tường căn phòng cần ánh sáng.
Ánh sáng mặt trời không chiếu được vào căn phòng bên trong vì không có cửa sổ. | | 
Nhờ lưới SmartLight (gắn trên tường sát trần nhà) ở cả hai phòng, ánh sáng mặt trời vào được cả phòng không có cửa sổ. |
• Ánh sáng được lưới SmartLight hướng lên trần ở góc thích hợp sẽ phản xạ và thắp sáng toàn bộ căn phòng.
• Ánh sáng được kiểm soát tập trung ở một số vị trí nhất định sẽ tạo hiệu ứng chiếu sáng.
• Ánh sáng cũng có thể truyền thẳng qua khoảng trống phía trên trần nhà đến một lưới SmartLight gắn trên vách căn phòng kế cận, nhờ đó phòng này cũng được thắp sáng. Quá trình này lặp đi lặp lại cho phép ánh sáng mặt trời phân phối đến được hầu hết các khu vực âm u nhất trong tòa nhà mà không cần lắp thêm dây điện hay ống dẫn. Thậm chí nhóm nghiên cứu cho biết, trong tương lai, ánh sáng có thể truyền sang một tòa nhà khác cạnh bên.
Trưởng nhóm nghiên cứu, Jason Heikenfeld cho biết, việc vận hành mạng lưới tế bào tí hon này tiêu tốn ít năng lượng hơn bóng đèn dây tóc truyền thống từ 10.000 đến 100.000 lần. Như vậy, với sự hỗ trợ của công nghệ tế bào điện lỏng, mặt trời đã sẵn sàng đảm trách một trong những vai trò quan trọng nhất của năng lượng: chiếu sáng cho các công trình.
Xài không hết, cất để dành
SmartLight là một mạng lưới thông minh, các tế bào có khả năng biến đổi nhanh và linh hoạt đủ để duy trì độ sáng ổn định bất chấp điều kiện ánh sáng bên ngoài. Nhưng cũng như mọi công nghệ năng lượng mặt trời khác, câu hỏi đặt ra cho SmartLight là: sẽ như thế nào vào những thời điểm không còn ánh sáng?
Rất đơn giản, hệ thống SmartLight có bộ phận lưu trữ năng lượng mặt trời.
Thử nhẩm tính, cường độ ánh sáng mặt trời thường đạt từ 32.000 - 100.000 lux vào những ngày nắng đẹp (lux là đơn vị đo độ sáng trên mỗi mét vuông), khoảng 400 lux vào buổi bình minh hay lúc hoàng hôn. Trong khi đó, mỗi căn phòng chỉ cần khoảng 400 lux để thắp sáng. Một lượng lớn ánh sáng chưa sử dụng hết sẽ được lưu trữ tại khu vực trung tâm tòa nhà và chuyển thành điện năng đủ thắp sáng tòa nhà cả ngày.
Khi cường độ ánh sáng bên ngoài không còn đủ, hệ thống ngay lập tức kích hoạt các thiết bị chiếu sáng dùng năng lượng dự trữ. Như vậy, ta sẽ có một căn phòng sáng sủa suốt buổi sáng, ban trưa, nửa đêm, cả những ngày không nắng, trời âm u hay mưa rào mải miết.
Ngoài chiếu sáng, năng lượng lưu trữ có thể dùng để vận hành thêm nhiều thiết bị điện khác, tận dụng tối đa nguồn năng lượng mặt trời.
Ánh sáng mặt trời từ bên ngoài (bên trái) tòa nhà được điều chỉnh để thắp sáng toàn bộ phòng (1), truyền sang các phòng khác (2), tập trung ở một số vị trí tạo hiệu ứng ánh sáng (3), hoặc lưu trữ dưới dạng điện năng ở trung tâm bên dưới tòa nhà (4).
| Tạm biệt các loại công tắc
Với Smart Light, thời của cầu dao, công tắc và đủ loại dây điện loằng ngoằng sẽ chấm dứt, thay vào đó là những tế bào điện lỏng tinh xảo và rất mực thông minh. SmartLight điều khiển thông qua một ứng dụng trên phần mềm di động. Người dùng thiết lập quá trình chiếu sáng và hệ thống tự vận hành khi nhận tín hiệu. Thông minh hơn, hệ thống còn tự điều chỉnh vị trí và cường độ sáng thích hợp khi người dùng đổi chỗ ngồi hoặc ra vào phòng nhờ tích hợp với hệ thống định vị.
Trông chỉ như một dải nhỏ thủy tinh đơn giản gắn lên tường, SmartLight không chỉ mang lại giải pháp chiếu sáng tiết kiệm năng lượng mà còn tăng hiệu quả thẩm mỹ cho bề mặt công trình.
| 
SmartLight điều khiển bằng một ứng dụng di động. |
SmartLight đã sẵn sàng tỏa sáng
Heikenfeld và Harfmann rất tự tin về tương lai của SmartLight bởi công nghệ này dễ dàng áp dụng cho mọi không gian sẵn có mà không cần thay đổi kiến trúc. Mọi tòa nhà dù lớn hay nhỏ, cũ hay mới, là khu dân cư hay các cao ốc đều có thể sử dụng. Theo nhóm nghiên cứu đánh giá, đối tượng hưởng lợi lớn nhất từ công nghệ SmartLight sẽ là những cao ốc thương mại đồ sộ bởi đây là nguồn tiêu hao năng lượng chiếu sáng lớn nhất hiện nay. Theo thống kê năm 2012 của Cục Quản lý Thông tin Năng lượng Mỹ (The US Department of Energy's Energy Information Administration), 50% tổng số năng lượng con người sử dụng hiện nay tiêu tốn cho các công trình xây dựng thương mại và 21% trong số đó chỉ dùng để thắp sáng.
Điều duy nhất còn thiếu trong thời điểm hiện tại là chưa đủ kinh phí để tiến hành một thử nghiệm trên quy mô lớn nhằm thu hút sự chú ý của các đối tác công nghiệp. Theo nhận định của một số chuyên gia tại diễn đàn năng lượng quốc tế CasaClima, nếu thật sự có khả năng thương mại hóa, SmartLight sẽ thay đổi hoàn toàn cách chúng ta thiết kế và xây dựng các tòa nhà trong tương lai.
MAI ANH, STINFO Số 12/2013