Gạch thuỷ tinh trong mờ aerogel – Bước tiến mới trong lĩnh vực vật liệu kiến trúc

Gạch thủy tinh từ lâu đã trở nên phổ biến trong giới kiến trúc, nhờ kết cấu đặc biệt mà sử dụng gạch thuỷ tinh mang lại nhiều ánh sáng hơn cho các tòa nhà. Tuy nhiên, cho đến nay, chúng không phù hợp cho xây dựng do tính chịu lực  và khả năng cách nhiệt kém. 

Nhóm nghiên cứu ở Empa hiện đã phát triển một loại gạch thủy tinh trong mờ có đặc tính cách nhiệt tốt nhờ sử dụng vật liệu aerogel. Loại gạch này thậm chí có thể được sử dụng cho các bộ phận chịu lực. Điều này cho phép chúng ta xây dựng các bức tường trong mờ, có tính thẩm mỹ cao, giảm nhu cầu chiếu sáng nhân tạo bên trong tòa nhà.

Khi xây dựng một công trình, các bộ phận được dựng hoàn toàn bằng kính là một phương pháp phổ biến trong kiến trúc để cung cấp ánh sáng tự nhiên cho các tòa nhà. Điều này giúp ngôi nhà được cung cấp nhiều ánh sáng ban ngày, thân thiện với môi trường và hạn chế sử dụng ánh sáng nhân tạo hơn. Tuy nhiên, để tối đa hóa ưu điểm đó, các kiến trúc sư thường sử dụng kính để xây dựng các bức tường của công trình, do đó, chúng cần có khả năng cách nhiệt hiệu quả và có thể chịu tải trọng nhất định – một sự kết hợp chưa từng có trên thị trường cho đến nay.

Cả hai yêu cầu đều được đáp ứng: khả năng cách nhiệt cao và vẻ ngoài trong mờ

Gạch thủy tinh aerogel với khả năng cách nhiệt và vẻ ngoài trong mờ, do đó mang lại sự riêng tư

Silica aerogel là loại vật liệu cách nhiệt hiệu suất cao đang ngày càng trở nên phổ biến trong lĩnh vực xây dựng. Phổ biến nhất là thảm và thạch cao cách điện mờ đục. Trở lại năm 2017, nhà nghiên cứu Jannis Wernery và các đồng nghiệp thuộc bộ phận Vật liệu và Linh kiện Năng lượng Xây dựng, Empa đã có ý tưởng tích hợp vật liệu cách nhiệt này vào gạch xây dựng và tạo ra một loại gạch mới chứa đầy aerogel, gọi là “Aerobrick” . Nhờ khả năng cách nhiệt tuyệt vời, loại gạch này giúp tiết kiệm chi phí sử dụng hệ thống sưởi ấm – mà không cần thêm lớp cách nhiệt khác.

Tuy nhiên, do đặc tính của aerogel có thể gần như trong suốt, giúp tạo nên những tòa nhà với những bức tường trong mờ có khả năng cách nhiệt. Để tận dụng điều đó và cải thiện hơn nữa hiệu suất cách nhiệt của “Aerobrick”, Wernery, Michal Ganobjak và Co. đã phát triển một thành phần mô-đun mới dựa trên kính nổi và các hạt aerogel silica kết hợp cả hai đặc tính – trong mờ và cách nhiệt:gạch thủy tinh aerogel.

Những viên gạch thủy tinh chứa đầy hạt aerogel trong mờ cho phép xây dựng những mặt tiền đẹp, có tính thẩm mỹ và khả năng chịu lực cao, cho phép ánh sáng ban ngày chiếu qua các bức tường. Các nhà nghiên cứu của Empa đã đạt được sự kết hợp hoàn hảo giữa độ bền, khả năng cách nhiệt và khả năng truyền ánh sáng bằng cách sử dụng các miếng đệm lệch nhau giữa các tấm kính bên trong viên gạch thủy tinh, đảm bảo độ ổn định tĩnh với khả năng truyền nhiệt tối thiểu.

Gạch thủy tinh có độ dẫn nhiệt đo được là 53 mW/(m∙K) và cường độ nén gần 45 MPa. Đây là hiệu suất cách nhiệt cao nhất so với bất kỳ loại gạch nào được tìm thấy trong tài liệu kỹ thuật, chưa nói đến trên thị trường. Ngoài ra, nó đi kèm với đặc tính truyền ánh sáng.

Ứng dụng của gạch

Toàn bộ bức tường bằng gạch thủy tinh aerogel mang ánh sáng ban ngày từ bên ngoài vào bên trong – cùng với những tác động tích cực của nó đối với những người cư ngụ

Gạch thủy tinh aerogel phù hợp cho các công trình có yêu cầu đồng thời về độ xuyên thấu cao của ánh sáng ban ngày, khả năng chống chói và bảo vệ sự riêng tư cho không gian bên trong, chẳng hạn như trong văn phòng, thư viện và viện bảo tàng. Một khía cạnh quan trọng là các toà nhà được xây dựng từ gạch thủy tinh như vậy là có sự hài hoà về ánh sáng giữa bên trong và bên ngoài. Điều này có thể có tác động tích cực đến nhịp sinh học của người sống bên trong.

Các ứng dụng có thể bao gồm:

• Các căn phòng không có tầm nhìn ra bên ngoài (vì lý do riêng tư, an ninh hoặc để tránh bị làm phiền) nhưng vẫn phải có ánh sáng ban ngày khuếch tán vào không gian bên trong, chẳng hạn như thư viện, phòng trưng bày, bảo tàng, tiền sảnh, văn phòng, cầu thang, nhà thi đấu, hội trường đa năng, công trình nhà ở hoặc xưởng nghệ thuật.
• Những không gian cần ánh sáng ban ngày để gia chủ có nhịp sinh học lành mạnh, chẳng hạn như ký túc xá, bệnh viện và viện điều dưỡng, vườn thú, chuồng ngựa và cơ sở chăn nuôi động vật, thậm chí cả nhà kính.
• Những nơi cần tận dụng tối đa ánh sáng ban ngày và tiết kiệm không gian, chẳng hạn như trong các khu đô thị nơi xây dựng dày đặc các tòa nhà cao tầng và nhiều căn hộ.
• Các yếu tố kiến trúc như tường Trombe trong kiến trúc năng lượng mặt trời, sân trong hoặc giếng trời tạo ra nhiệt từ bức xạ hồng ngoại từ ánh sáng mặt trời.

Một phân tích về chi phí vật liệu cho thấy gạch thủy tinh cách nhiệt có thể có giá khá cạnh tranh trong các ứng dụng như vậy. Do đó, gạch thủy tinh mang đến cho kiến trúc những khả năng thiết kế mới để có nhiều ánh sáng ban ngày hơn trong các tòa nhà – cả đối với các tòa nhà mới và cải tạo. Các nhà nghiên cứu hiện đã nộp đơn xin cấp bằng sáng chế cho gạch thủy tinh aerogel và đang tìm kiếm các đối tác công nghiệp tiềm năng.

Dự án được hỗ trợ bởi Velux Stiftung, Dự án số 1440 để phát triển một loại gạch thủy tinh trong mờ có khả năng cách nhiệt cao nhưng vẫn đảm bảo khả năng chiếu sáng ban ngày. Ý tưởng dự án được phát triển với sự hỗ trợ từ Chương trình Nghiên cứu và Đổi mới Horizon 2020 của Liên minh Châu Âu theo Hành động Marie Skłodowska-Curie, số hợp đồng 746992.