Điều hòa đã dựa vào compressor hơn một thế kỷ: Hướng làm lạnh mới kéo–thả kim loại thay vì nén gas

Một chiếc điều hòa hiện đại làm lạnh theo nguyên lý đã thống trị ngành refrigeration hơn một thế kỷ: compressor nén môi chất lạnh, môi chất hấp thụ nhiệt ở một phía rồi thải nó ở phía kia. Một hướng nghiên cứu khác đang thử thay cả phần “nén gas” đó bằng một vật rắn có hành vi khá lạ: kéo nó ra, nó nóng lên; nhả lực, nó lạnh xuống.

Cơ chế này gọi là elastocaloric cooling. Trong một nghiên cứu đăng trên Nature Energy ngày 28/8/2026, nhóm tại Karlsruhe Institute of Technology (KIT) và University of Tsukuba còn loại bỏ thêm một vấn đề của các prototype elastocaloric trước đây: motor điện dùng để kéo vật liệu. Họ ghép hai màng hợp kim nhớ hình siêu mỏng với nhau, để một màng biến nhiệt thành chuyển động và màng còn lại dùng chuyển động đó để bơm nhiệt.

Kết quả đáng chú ý nằm ở nguyên lý hơn là công suất. Prototype chạy bằng nguồn nhiệt ngoài tạo được chênh nhiệt 2,2 K ở cấp thiết bị, nhưng cooling power tại điều kiện zero temperature lift chỉ khoảng 2,09 mW. Đây chưa phải “điều hòa không compressor” có thể treo lên tường. Nó là bằng chứng rằng một chu trình làm lạnh elastocaloric có thể được lái trực tiếp bằng nhiệt thải thay vì bắt buộc phải dùng motor điện.

Kéo kim loại không làm nó lạnh ngay — bước lạnh xảy ra khi thả tải

Hợp kim nhớ hình như nickel–titanium có thể chuyển qua lại giữa các cấu trúc tinh thể khác nhau. Trong vật liệu superelastic, lực cơ học đủ lớn sẽ ép tinh thể chuyển sang pha martensite. Quá trình đó giải phóng nhiệt, vì vậy vật liệu nóng lên khi bị kéo hoặc nén.

Sau khi phần nhiệt này được truyền sang phía nóng, lực cơ học được gỡ bỏ. Cấu trúc tinh thể quay lại pha ban đầu và cần hấp thụ năng lượng cho chuyển pha ngược. Lúc này vật liệu lạnh đi dưới nhiệt độ môi trường và có thể hút nhiệt từ vật cần làm lạnh.

Một chu trình thực tế vì thế không đơn giản là “kéo một sợi kim loại và giữ nguyên”. Nó phải lặp bốn việc đúng thời điểm: tải vật liệu để nó nóng lên, thải nhiệt đó sang heat sink, nhả tải để vật liệu lạnh xuống, rồi cho vật liệu lạnh tiếp xúc với phía cần lấy nhiệt. Sau đó chu trình bắt đầu lại.

Điểm tương đồng với điều hòa vapor-compression nằm ở mục tiêu: cả hai đều chuyển nhiệt từ vùng lạnh sang vùng nóng. Khác biệt nằm ở “môi chất làm việc”. Hệ truyền thống dựa vào chất lưu thay đổi áp suất và pha; elastocaloric dùng chuyển pha rắn–rắn bên trong hợp kim dưới tác dụng của ứng suất cơ học.

Vấn đề lâu nay: vẫn phải có một cỗ máy đủ khỏe để kéo hợp kim

Ý tưởng elastocaloric không mới. Nhiều thiết bị đã chứng minh có thể tạo chênh nhiệt lớn và thậm chí cooling power ở mức hàng trăm watt tới kilowatt. Nhưng để liên tục kéo hoặc nén hợp kim nhớ hình, chúng thường cần motor điện, gearbox, hydraulic actuator hoặc một cơ cấu cơ khí tương đương.

Đây là một nghịch lý kỹ thuật: refrigerant đã trở thành chất rắn, nhưng “compressor” lại biến thành một hệ truyền động cơ khí có nhiệm vụ tạo lực rất lớn trên hành trình ngắn. Nó có thể cồng kềnh, gây tổn hao và khó thu nhỏ cho những ứng dụng như chip hoặc cảm biến.

Nghiên cứu mới của KIT và University of Tsukuba xử lý đúng nút thắt này. Thay vì dùng motor để kéo vật liệu làm lạnh, nhóm dùng một hợp kim nhớ hình thứ hai làm actuator nhiệt.

Một lá kim loại biến nhiệt thành lực, lá còn lại biến lực thành lạnh

Prototype gồm hai màng ghép nối cơ học nhưng được cách nhiệt với nhau. Màng actuator là TiNi dày khoảng 22 µm. Khi được làm nóng vượt ngưỡng chuyển pha, nó co về hình dạng đã “ghi nhớ”, tạo ra lực kéo.

Lực đó truyền qua một connector polymer sang màng TiNiFe superelastic dày 26,5 µm, đóng vai trò refrigerant elastocaloric. Khi bị kéo, màng TiNiFe chuyển pha và nóng lên. Khi actuator nguội đi và lực giảm, TiNiFe co về, chuyển pha ngược và lạnh xuống.

Thiết bị dùng các bề mặt đồng làm heat source và heat sink. Chúng được đưa vào tiếp xúc với màng ở những thời điểm khác nhau của chu trình để nhiệt đi đúng hướng. Đây vẫn là một cỗ máy cơ–nhiệt với nhiều chuyển động phối hợp; “solid-state” ở đây chủ yếu mô tả refrigerant và cơ chế caloric, không có nghĩa toàn bộ prototype không còn bộ phận chuyển động.

Điểm mới là năng lượng lái chu trình không nhất thiết phải đi qua motor điện. Nhiệt làm co màng TiNi, mà chuyển động đó trực tiếp kéo màng TiNiFe.

13 độ trên vật liệu không có nghĩa thiết bị làm lạnh được 13 độ

Trong cấu hình mà actuator được làm nóng bằng dòng điện Joule tới khoảng 86°C, bản thân màng TiNiFe đạt temperature span tối đa 12,9 K. Nhưng khi gắn heat exchanger và đo ở cấp thiết bị, chênh nhiệt còn 4,0 K.

Sự khác biệt này là một chi tiết quan trọng. Con số caloric của vật liệu thường cao hơn hiệu năng hệ thống vì nhiệt bị mất qua giao diện, tốc độ chuyển pha không hoàn toàn adiabatic, contact resistance và các phần cơ khí đều làm giảm kết quả thực tế.

Ở cấu hình Joule-heated, nhóm đo cooling power khoảng 2,79 mW tại zero temperature lift, tương ứng specific cooling power 4,43 W/g tính theo lượng refrigerant. COP riêng của cooling unit được báo cáo khoảng 2,61 theo phương pháp counter-heating, nhưng khi tính cả năng lượng nhiệt đưa vào actuator, COP toàn hệ trong cấu hình này chỉ khoảng 0,085. Đây là một prototype chứng minh cơ chế, không phải hệ được tối ưu về hiệu suất.

Khi bỏ Joule heating và dùng nguồn nhiệt thật, chênh nhiệt còn 2,2 K

Để chứng minh hệ thống thực sự có thể được lái bằng nhiệt thay vì chỉ dùng điện để làm nóng actuator, nhóm thay Joule heating bằng một heat source bên ngoài. Một platinum microheater làm nóng tấm đồng tiếp xúc với màng actuator tới khoảng 130°C.

Sau 20 chu kỳ, thiết bị đạt chênh nhiệt ổn định khoảng 2,2 K: phía nóng tăng khoảng 1,2 K và phía lạnh giảm khoảng 1,0 K so với trạng thái ban đầu. Cooling power ở zero temperature lift còn khoảng 2,09 mW, với specific cooling power 3,32 W/g.

Con số nhỏ này đặt nghiên cứu vào đúng cấp độ. Hệ thống chưa cạnh tranh với refrigerator, air conditioner hay thậm chí bộ làm mát CPU thông thường về công suất tuyệt đối. Điều paper chứng minh là chuỗi chuyển đổi nhiệt → chuyển động → lạnh có thể hoạt động trong một thiết bị elastocaloric tích hợp.

Nhóm cho rằng nguồn nhiệt trong tương lai có thể là waste heat hoặc solar thermal. Nhưng trong prototype hiện tại, nguồn nhiệt ngoài phải ở khoảng 130°C để tạo đủ stroke trong hình học đang dùng. Việc hạ nhiệt độ đầu vào, tăng tốc chu trình và giảm thất thoát nhiệt vẫn là những bài toán chưa giải quyết.

Lĩnh vực elastocaloric đã vượt xa mức “một sợi dây lạnh đi”

Nếu chỉ nhìn cooling power vài miliwatt của nghiên cứu KIT, elastocaloric có vẻ còn rất sơ khai. Nhưng phần còn lại của lĩnh vực đang tiến theo một hướng khác: tăng kích thước và giải quyết độ bền.

Năm 2025, một nhóm tại Hong Kong University of Science and Technology báo cáo trên Nature một hệ elastocaloric dùng các ống NiTi chịu nén, đạt 1.284 W cooling power tại zero temperature lift trong 500.000 chu kỳ đầu. Sau hai triệu chu kỳ, công suất ổn định quanh 762 W do functional fatigue của NiTi thương mại. Hệ đó dùng chất lỏng truyền nhiệt và cơ cấu tải cơ học, nên giải quyết bài toán công suất chứ chưa giải quyết bài toán actuator nhiệt.

Đến tháng 8/2026, một nghiên cứu khác trên Joule dùng TiNiCuCo và cấu trúc fin hai lớp, duy trì khoảng 400 W cooling power và temperature span 41 K qua một triệu chu kỳ mà không ghi nhận suy giảm cooling power. Kết quả này trực tiếp nhắm vào một trong những điểm yếu lớn nhất của elastocaloric: vật liệu phải chịu tải hàng triệu lần mà không mất dần hiệu ứng.

Những kết quả đó không thể cộng lại thành một “siêu điều hòa” duy nhất. Chúng đến từ các kiến trúc, vật liệu và cách truyền nhiệt khác nhau. Nhưng đặt cạnh nhau, chúng cho thấy các nhóm nghiên cứu đang giải từng nút thắt riêng: công suất, fatigue, temperature span, cấu trúc heat exchanger và giờ là cách lái chu trình mà không cần một actuator điện cồng kềnh.

Muốn thay compressor, kim loại phải chịu được hàng tỷ lần kéo–thả

Một máy điều hòa thương mại phải chạy hàng nghìn giờ, chịu dao động tải, bụi, độ ẩm và nhiều năm sử dụng. Với elastocaloric, điều này biến fatigue thành bài toán trung tâm. Nếu hệ chạy ở 1 Hz, chỉ một năm vận hành liên tục đã tương đương hơn 31 triệu chu kỳ. Ở tần số cao hơn, con số tăng còn nhanh hơn.

Prototype heat-driven của KIT mới thực hiện bài test ổn định 80 chu kỳ trong 96 giây ở cấu hình Joule-heated. Điều đó đủ để cho thấy cơ chế lặp được trong thí nghiệm, nhưng chưa nói gì về tuổi thọ dài hạn của một thiết bị thương mại.

Song song, hệ phải nâng cooling power lên nhiều bậc độ lớn mà không làm actuator, khung và heat exchanger trở nên nặng hơn chính compressor nó muốn thay thế. Các nhà nghiên cứu cũng phải cải thiện system COP, giảm contact resistance và thu hồi phần cơ năng có thể tái sử dụng trong chu trình.

Ứng dụng đầu tiên có thể không phải chiếc điều hòa trong phòng khách

Thin-film elastocaloric có một lợi thế rõ ở tỷ lệ diện tích bề mặt trên thể tích lớn, giúp đổi nhiệt nhanh. Điều này phù hợp với các hệ nhỏ, nơi compressor truyền thống quá cồng kềnh: chip, cảm biến quang học, thiết bị điện tử trên xe hoặc những vị trí có sẵn waste heat nhưng ít điện.

KIT cũng đang phát triển các kiến trúc lớn hơn, trong đó nhóm Jingyuan Xu dự kiến dùng cấu trúc NiTi dệt xốp để tăng diện tích truyền nhiệt và hướng tới prototype air-conditioning quy mô lớn hơn. Nhưng giữa một màng vài chục micromet làm lạnh vài miliwatt và một điều hòa gia dụng công suất kilowatt vẫn là khoảng cách kỹ thuật rất lớn.

Vì vậy, “kéo kim loại để làm lạnh” không phải mẹo vật lý mới vừa được phát hiện, và compressor cũng chưa sắp biến mất. Điều mới trong nghiên cứu này là một phần mà elastocaloric lâu nay vẫn phải mượn từ cơ điện — actuator — đã được thay bằng chính một vật liệu nhớ hình khác. Nếu công suất, độ bền và hiệu suất cùng tiến tới mức thực dụng, thế hệ cooling system sau vapor compression có thể trông ít giống một chiếc máy nén hơn và giống một cụm vật liệu liên tục co–giãn để bơm nhiệt.

Nghiên cứu chính: Yi-Ting Hsiau, Shuichi Miyazaki, Manfred Kohl và Jingyuan Xu, “Heat-driven elastocaloric cooling with shape memory films”, Nature Energy, 2026, DOI: 10.1038/s41560-026-02122-6. KIT công bố hình minh họa và thông tin về prototype ngày 28/8/2026.