Đột phá về công nghệ gia nhiệt: Sợi nano thay thế cuộn dây kim loại lớn

Liệu những sợi carbon nhỏ xíu có thể đảm nhận công việc tương tự như các cuộn dây gia nhiệt công nghiệp bằng kim loại lớn? Một bước đột phá mới từ các nhà nghiên cứu tại Đại học Rice, Hoa Kỳ đã tìm ra đáp án cho câu hỏi và phát hiện có thể đóng góp rất lớn vào việc điện khí hóa nhiều quy trình sản xuất.
 
 Dạng lò điện này có thể giúp giảm lượng khí thải carbon trong các ngành công nghiệp phụ thuộc vào nhiệt độ cao nhưng môi trường mà chúng tạo ra lại gây hại cho các linh kiện truyền thống
Việc gia nhiệt khí được sử dụng trong nhiều ngành công nghiệp. Ví dụ, bất kỳ quy trình sản xuất nào liên quan đến việc nấu chảy, luyện kim hoặc xử lý nhiệt kim loại đều cần phải gia nhiệt khí đến nhiệt độ rất cao. Khí gia nhiệt cũng được sử dụng để vận hành các quy trình hơi nước, khử trùng sản phẩm, sản xuất xi măng, sấy khô ngũ cốc và các sản phẩm thực phẩm khác, sản xuất thủy tinh và nhiều thứ khác nữa.
Hiện nay, việc gia nhiệt khí công nghiệp chủ yếu được thực hiện thông qua việc sử dụng các cuộn dây kim loại và đốt các nhiên liệu khác. Điều này không chỉ làm tăng lượng khí thải carbon của nhiều nhà máy mà cách hiệu quả nhất để sử dụng các cuộn dây là đặt chúng trực tiếp vào dòng khí, điều này có thể gây hư hại nghiêm trọng cho các linh kiện.
“Khi nhúng trực tiếp bộ gia nhiệt vào dòng khí, chúng ta sẽ đạt được hiệu quả truyền nhiệt cao hơn nhưng đồng thời cũng tạo ra môi trường hoạt động khắc nghiệt hơn nhiều”, Phó giáo sư Daniel J. Preston từ Đại học Rice, người sở hữu phòng thí nghiệm nghiên cứu về các hệ thống quản lý nhiệt hiệu suất cao cho biết.
Để tìm ra giải pháp tốt hơn, Preston và các đồng nghiệp đã chuyển sang nghiên cứu ống nano carbon trong một nghiên cứu mới được công bố trên tạp chí Small.
Ống nano carbon là những hình trụ cực nhỏ được làm từ graphene cuộn, một chất được tạo thành hoàn toàn từ các nguyên tử carbon. Chúng đã được nghiên cứu và sử dụng cho mọi thứ, từ mũ bảo hiểm bóng bầu dục an toàn hơn, driver tai nghe, đến băng gạc thông minh. Các ống có thể mỏng hơn khoảng 50.000 lần so với sợi tóc người này cực kỳ bền, dẫn nhiệt cực tốt và có thể dẫn điện tốt hơn cả đồng.
Do cấu tạo nhỏ nhưng bền, các nhà nghiên cứu của Đại học Rice nhận ra rằng chúng có thể được sử dụng để thay thế các cuộn dây gia nhiệt bằng kim loại nhằm cải thiện hiệu quả và hỗ trợ quá trình điện khí hóa hệ thống gia nhiệt công nghiệp.
Tác giả dẫn đầu nghiên cứu Monisha Vijay Kumar cho biết: “Điện khí hóa nhiệt công nghiệp là một trong những phần quan trọng nhất và khó khăn nhất của quá trình khử carbon. Chúng tôi muốn tìm hiểu xem liệu một loại vật liệu hoàn toàn khác có thể mở ra ra thêm khả năng trong việc gia nhiệt bằng khí đốt hay không”.
Trong các thử nghiệm, các tấm sợi thực tế có thể đạt được công suất riêng cao hơn so với các thành phần hợp kim kim loại tương tự. Điều này có nghĩa là với kích thước nhỏ, chúng tạo ra nhiều điện năng hơn khi được điện khí hóa so với các thành phần gia nhiệt truyền thống. Chúng cũng có khả năng chịu được sự tác động của khí chuyển động. Thêm vào đó, nhóm nghiên cứu đã chứng minh rằng sợi có thể được dệt thành tấm vải, tạo ra diện tích bề mặt lớn cho phép khí đi qua và được làm nóng bởi dòng điện chạy qua vật liệu.
Nếu vật liệu ống nano carbon tiếp tục chứng minh được hiệu quả, chúng có thể đóng góp đáng kể vào việc điện khí hóa hệ thống sưởi ấm công nghiệp. Trên thực tế, theo một báo cáo chính sách của Viện nghiên cứu ACEEE, nếu tất cả các quy trình công nghiệp gia nhiệt dưới 300 °C được thay thế bằng điện sạch vào năm 2050, tổng lượng phát thải nhà kính có thể giảm 30%.
Tìm hiểu thêmvề nghiên cứu của Kumar trong video sau:

Tác giả: LH, (Đại học Rice)