Maria Telkes và bài toán biến ánh nắng thành hơi ấm trong nhà

Một bức tường cửa sổ hướng nam có thể làm căn nhà ấm lên vào ban ngày, nhưng sẽ ra sao khi mây kéo dài hoặc Mặt Trời lặn? Theo bài viết của Science History Institute, Maria Telkes và Hoyt Hottel từng tìm cách trả lời câu hỏi đó tại MIT trong thập niên 1940. Họ cùng nghiên cứu cách thu nhiệt, lưu trữ và đưa hơi ấm vào nhà, nhưng khác nhau ở một điểm căn bản: Telkes nhìn năng lượng Mặt Trời như một hướng đi cần kiên trì, còn Hottel luôn hỏi liệu nó có đủ hiệu quả và rẻ để dùng trong đời sống hay không. [1]

Cửa sổ hướng nam mới chỉ là bước khởi đầu

Nhà sưởi thụ động tận dụng hướng nhà, cửa sổ và vật liệu để đón ánh nắng mùa đông. Cách này giải quyết được phần thu nhiệt vào ban ngày, song chưa giải quyết khoảng thời gian căn nhà cần sưởi nhất: ban đêm, những ngày nhiều mây hoặc lúc nhiệt lượng thu được không đủ. Vì vậy, các kỹ sư phải biến ánh sáng thành nhiệt có thể giữ lại và phân phối sau đó. [1]

Hottel tập trung vào bộ thu phẳng, một thiết bị phủ kính đặt trên mái. Ánh nắng làm nóng nước trong bộ thu; nước được đưa xuống một bể lớn dưới đất, rồi quạt thổi không khí qua khu vực nóng để đưa hơi ấm vào nhà. Mô hình MIT I, dựng năm 1939, giúp kiểm tra nguyên lý này qua hai mùa đông ở Boston. Tuy nhiên, bể chứa lớn đến mức chính Hottel cũng nhấn mạnh đây là thí nghiệm khoa học, không phải mẫu nhà có thể sao chép nguyên trạng. [1]

Nút thắt nằm ở kho nhiệt

Thu nhiệt chỉ là nửa đầu của bài toán. Nước dễ hiểu và dễ vận chuyển, nhưng muốn chứa nhiều nhiệt thì cần bể lớn, tốn diện tích và chi phí. Đá có thể làm khối tích nhiệt nhưng kém hiệu quả hơn. Telkes vì thế quan tâm đến vật liệu chuyển pha: chất có thể hấp thụ nhiệt khi chuyển từ rắn sang lỏng rồi nhả nhiệt khi căn nhà nguội đi. [1]

Vật liệu được bà kỳ vọng là muối Glauber, tên hóa học là natri sulfat. Về nguyên tắc, nó giống một kho nhiệt có thể nạp vào ban ngày và xả ra dần. Nhưng trong thử nghiệm, muối bị phân lớp; các thành phần tách thành những vùng khác nhau. Đồng thời, nó ăn mòn thùng chứa kim loại, gây rò rỉ. Trở ngại này cho thấy một vật liệu có vẻ hợp lý trên giấy vẫn có thể thất bại khi phải vận hành lặp đi lặp lại trong một ngôi nhà thật. [1]

Telkes và Hottel bất đồng về tiêu chuẩn thành công

Hottel xem năng lượng Mặt Trời trước hết là bài toán kỹ thuật và kinh tế. Lượng ánh nắng lớn về lý thuyết không đồng nghĩa với lượng nhiệt hữu ích lớn trong thực tế, vì mây, tổn thất thiết bị và chi phí vận hành đều làm giảm hiệu quả. Ông tiếp tục nghiên cứu bộ thu và hệ thống sưởi, nhưng hoài nghi trước những tuyên bố quá lạc quan về một nguồn năng lượng tưởng như vô tận. [1]

Telkes đặt câu hỏi rộng hơn: nếu chỉ đánh giá một công nghệ bằng lợi ích tức thời, những hướng đi mới sẽ khó có cơ hội trưởng thành. Bà coi năng lượng Mặt Trời là lựa chọn có thể giảm phụ thuộc vào nhiên liệu hóa thạch và đáng được đầu tư lâu dài. Godfrey Cabot, người tài trợ nghiên cứu năng lượng Mặt Trời tại Harvard và MIT, ủng hộ hướng tiếp cận này. Tranh luận vì thế không chỉ là bất đồng cá nhân, mà còn là lựa chọn giữa đo lường thận trọng và thử nghiệm một sản phẩm gần đời sống. [1]

Hai ngôi nhà cho thấy khoảng cách giữa thí nghiệm và đời sống

MIT III, hoàn thành năm 1949, đưa hệ thống thu nhiệt vào một căn nhà có người ở. Nước nóng từ bộ thu trên mái được lưu trong bể giấu trên gác, sau đó không khí được thổi qua khu vực này để sưởi các phòng. Ở mức tốt nhất, căn nhà lấy 82% nhiệt từ Mặt Trời và phần còn lại từ nguồn bổ sung. Kết quả này củng cố các tính toán về bộ thu phẳng, nhưng cũng cho thấy một hệ thống đạt hiệu quả vẫn cần nhiều thiết bị và điều kiện vận hành phù hợp. [1]

Dover Sun House đi theo con đường Telkes mong muốn. Bà hợp tác với kiến trúc sư Eleanor Raymond để xây một căn nhà dùng bộ thu sau mặt kính và muối Glauber trong các thùng kim loại. Công trình từng được ca ngợi vì không cần than hoặc dầu để sưởi. Tuy nhiên, những ngày nhiều mây kéo dài khiến nhiệt độ trong nhà giảm mạnh; muối tiếp tục phân lớp, còn thùng chứa bị ăn mòn và rò rỉ. Hệ thống Mặt Trời sau đó bị tháo bỏ, rồi lò dầu được lắp vào. [1]

Vì sao ý tưởng không trở thành kiểu nhà phổ biến?

Một căn nhà sưởi bằng ánh nắng cần bộ thu, bể chứa, quạt, đường ống, bộ điều khiển và công việc bảo trì. Chi phí ban đầu có thể tăng ngay cả khi nhiên liệu sử dụng về sau giảm. MIT IV, xây năm 1959 với nhiều bể nước và hệ thống điều khiển tự động, minh họa rõ gánh nặng ấy. Công trình gây chú ý nhưng không tìm được người mua; sau vài năm, hệ thống sưởi bằng Mặt Trời bị tháo bỏ. [1]

Bối cảnh thị trường cũng không thuận lợi. Làn sóng xây nhà sau chiến tranh cần những mẫu có thể dựng nhanh và dùng thiết bị sưởi sẵn có. Năng lượng hạt nhân cùng dầu mỏ giá rẻ làm giảm sức ép tìm phương án khác. Trong hoàn cảnh ấy, một hệ thống phức tạp khó cạnh tranh chỉ bằng tiềm năng môi trường, dù các thử nghiệm cho thấy nó có thể hoạt động trong những điều kiện nhất định. [1]

Di sản không nằm ở một căn nhà hoàn hảo

Các dự án của Telkes và Hottel không tạo ra con đường bền vững cho hệ thống sưởi chủ động giữa thế kỷ 20, nhưng chúng làm rõ những bộ phận quyết định của bài toán: thiết kế cửa sổ, cách nhiệt, bộ thu, vật liệu lưu trữ và thiết bị vận hành. Thất bại của muối Glauber đặc biệt đáng nhớ vì nó cho thấy mắt xích yếu nhất có thể quyết định toàn bộ trải nghiệm của người ở. [1]

Về sau, Telkes tiếp tục nghiên cứu công nghệ Mặt Trời, trong đó có pin quang điện; năm 1971, bà và cộng sự xây Solar One, căn nhà tạo cả nhiệt lẫn điện từ ánh nắng. Hottel vẫn ủng hộ nghiên cứu nhưng giữ thái độ hoài nghi về chi phí. Nhìn lại cuộc tranh luận ấy, điều dễ hiểu hơn cả là: ánh nắng có thể miễn phí, nhưng biến nó thành hơi ấm ổn định đòi hỏi một căn nhà, vật liệu và hệ thống đủ đơn giản để con người muốn sống cùng. [1]