Một nguồn năng lượng xanh, sạch, tái tạo và thân thiện với môi trường. Chúng ta đang nói về những ưu điểm của điện Mặt Trời. Nhưng tất cả những ưu điểm đó sẽ trở thành vô nghĩa vào ban đêm, khi những tấm pin năng lượng Mặt Trời không thể thu nhận được ánh sáng nữa.
Pin lưu trữ của chúng thậm chí quay lại trở thành một vấn đề của môi trường. Bạn sẽ xử lý chúng như thế nào khi hết hạn?
Thật may là các nhà khoa học đang không ngừng nghiên cứu ra những giải pháp khắc phục nhược điểm này. Họ đang tạo ra những thế hệ pin lưu trữ xanh hơn, các công nghệ xử lý rác thải điện tử tốt hơn.
Nhưng trong một nỗ lực còn đột phá hơn thế, một nhóm các nhà khoa học tại Đại học New South Wales (NSWU), Australia đã thành công trong việc chế tạo ra những tấm pin Mặt Trời còn có thể hoạt động vào ban đêm.
Liệu chúng ta có thể thu năng lượng Mặt Trời vào ban đêm?
Nguyên lý cơ bản của thiết bị - được gọi là điốt quang xạ nhiệt – là nó sẽ hấp thụ nhiệt từ bức xạ hồng ngoại phát ra từ môi trường ban đêm, sau khi được Mặt Trời chiếu sáng và nung nóng vào ban ngày.
Ví dụ như bạn có thể thấy vào mùa hè, mặt đường nhựa và bê tông của các tòa nhà đến ban đêm vẫn còn nóng. Chúng phát ra những bức xạ năng lượng vô hình mà mắt người không nhìn thấy.
Nhưng thiết bị điốt quang xạ nhiệt được các kỹ sư tại NSWU chế tạo từ vật liệu bán dẫn giống với vật liệu làm ra kính nhìn đêm của quân đội. Do đó, nó có thể hấp thụ năng lượng từ ánh sáng hồng ngoại.
Tất nhiên, phải nói rằng lượng điện mà một tấm pin tạo ra vào ban đêm còn rất nhỏ - nó thấp hơn khoảng 100.000 lần so với lượng điện năng được cung cấp bởi một tấm pin mặt trời. Tuy nhiên, các nhà nghiên cứu tin rằng hiệu suất đó có thể được cải thiện trong tương lai.
"Quan trọng là chúng tôi đã chứng minh được một điốt quang xạ nhiệt có khả năng thu giữ năng lượng. Những thiết bị như máy ảnh nhiệt hiện nay chỉ có thể cho bạn nhìn thấy bức xạ hồng ngoại vào ban đêm. Thiết bị mà chúng tôi tạo ra còn cho phép thu giữ năng lượng từ bức xạ ấy", trưởng nhóm nghiên cứu tại NSWU, phó giáo sư Ned Ekins-Daukes cho biết.
Vào ban đêm, các vật thể vẫn phát ra những bức xạ năng lượng vô hình mà mắt người không nhìn thấy.
Tận thu dòng năng lượng
Năng lượng không tự sinh ra và không tự mất đi, chúng chỉ chuyển từ dạng này sang dạng khác hoặc từ vật này sang vật khác. Đó là nguyên lý cơ bản của định luật bảo toàn năng lượng mà chúng ta đã học từ thời phổ thông.
"Vì vậy, bất cứ khi nào có một luồng năng lượng, chúng ta đều có thể chuyển đổi nó giữa các dạng khác nhau", phó giáo sư Ekins-Daukes cho biết. "Quang điện, về bản chất là sự chuyển đổi trực tiếp ánh sáng Mặt Trời thành điện năng. Đó là một quá trình nhân tạo mà con người đã phát triển để biến năng lượng từ dạng ánh sáng thành điện".
"Theo nghĩa đó, chúng tôi cũng đang thực hiện một quá trình tương tự với nhiệt hồng ngoại. Chúng tôi đang chuyển đổi năng lượng của Trái Đất ấm áp, trước khi năng lượng ấy bị bức xạ và thất thoát ra ngoài vũ trụ lạnh giá", tiến sĩ Phoebe Pearce, một trong những đồng tác giả của bài báo cho biết thêm.
Quá trình này cuối cùng vẫn là việc khai thác năng lượng Mặt Trời. Bởi chính Mặt Trời đã chiếu sáng một nửa địa cầu vào ban ngày và làm ấm bề mặt của một nửa hành tinh. Vào ban đêm, năng lượng này sẽ bức xạ lại khoảng không lạnh lẽo một cách tự do.
Trong cả hai trường hợp, chênh lệch nhiệt độ là thứ cho phép chúng ta tạo ra điện.
Ý tưởng là nếu bạn tạo ra những tấm điốt phát xạ nhiệt để chặn dòng năng lượng đó như cách bạn chặn một dòng nước, thì bạn có thể tạo ra điện.
"Tương tự như cách một pin mặt trời có thể tạo ra điện bằng cách hấp thụ ánh sáng phát ra từ một ngôi sao rất nóng, điốt phát xạ nhiệt tạo ra điện bằng cách thu giữ ánh sáng hồng ngoại đang phát vào một môi trường lạnh hơn. Trong cả hai trường hợp, chênh lệch nhiệt độ là thứ cho phép chúng ta tạo ra điện", phó giáo sư Ekins-Daukes nói.
Một hứa hẹn về hiệu suất thương mại hóa
Cách đây khoảng 2 tháng, một nhóm các nhà nghiên cứu tại Đại học Stanford cũng đã công bố một thiết bị thu giữ năng lượng bức xạ vào ban đêm. Nó được gọi là mô-đun nhiệt điện, thứ có thể tạo ra điện áp và dòng điện từ gradient nhiệt độ, hay sự chênh lệch giữa nhiệt của thiết bị với không khí xung quanh nó.
Tuy nhiên, thiết bị này của các kỹ sư Stanford chỉ tạo ra được hiệu suất 50 miliwatt trên mỗi mét vuông. Có nghĩa là nó không đủ để thắp sáng một bóng đèn, trừ khi bạn tạo ra tới 20 mét vuông mô-đun nhiệt như vậy.
Một mô-đun thu năng lượng Mặt Trời vào ban đêm.
Bây giờ, thiết bị điốt quang xạ nhiệt của Đại học New South Wales cũng đang cạnh tranh hiệu suất với thiết bị của Stanford. Phó giáo sư Ekins-Daukes ví nghiên cứu mới của họ giống với công trình của các kỹ sư tại Bell Labs, những người đầu tiên phát minh ra pin Mặt Trời silicon vào năm 1954.
Ở thời điểm đó, một tấm pin Mặt Trời, chứa các "tế bào" quang điện chỉ cho hiệu suất chuyển đổi 2% ánh sáng thành dòng điện. Nhưng hiện nay, các tấm pin thương mại của chúng ta đã cho hiệu suất chuyển đổi tới 23%.
Về mặt lý thuyết, các nhà khoa học còn có thể đạt tới hiệu suất chuyển đổi 86,8% với thiết bị trong phòng thí nghiệm của họ.
"Dù công nghệ này vẫn chưa thể đạt được tới hiệu suất thương mại hóa, chúng tôi đã chứng minh được sự khả thi của ý tưởng", tiến sĩ Michael Nielsen, một đồng tác giả của nghiên cứu mới cho biết.
"Bằng cách tận dụng kiến thức của chúng tôi về cách thiết kế và tối ưu hóa pin Mặt Trời, cũng như vay mượn vật liệu từ lĩnh vực máy dò quang hồng ngoại tầm trung hiện có, chúng tôi hy vọng sẽ đạt được tiến bộ nhanh chóng trong việc thực hiện giấc mơ điện Mặt Trời vào ban đêm".
Các nhà khoa học hi vọng trong một tương lai không xa, nghiên cứu của họ sẽ được thương mại hóa.
Bước đột phá của nhóm UNSW là một lời xác nhận về sự làm việc của lý thuyết. Công việc bây giờ chỉ còn là biến lý thuyết ấy thành hiện thực, bằng cách chế tạo các thiết bị chuyên dụng và hiệu quả hơn, một ngày nào đó có thể giúp chúng ta thu nhận và chuyển đổi năng lượng nhiệt hồng ngoại ở quy mô lớn hơn.
"Ngay bây giờ, chúng tôi đã chứng minh được sự khả thi của lý thuyết với một thiết bị điốt phân cực nhiệt có công suất tương đối rất thấp", phó giáo sư Ekins-Daukes cho biết. "Nhưng lý thuyết nói rằng công nghệ này cuối cùng có thể tạo ra khoảng 1/10 công suất khi so sánh với các loại pin Mặt Trời ban ngày".
Và cả những thiết bị khai thác thân nhiệt
Với thiết bị điốt quang xạ nhiệt của mình, nhóm nghiên cứu tại Đại học New South Wales tin rằng nó sẽ mở ra nhiều ứng dụng trong tương lai hơn nữa, vượt ra cả những tấm pin năng lượng Mặt Trời ban đêm.
Công nghệ này sẽ giúp chúng ta sản xuất điện theo những cách chưa từng có trước đây. Chẳng hạn như việc thu nhận thân nhiệt để cung cấp năng lượng cho các thiết bị sinh học, bao gồm tim nhân tạo, chip não và thậm chí sạc cho các thiết bị điện tử bên ngoài.
"Về nguyên tắc, chúng tôi có thể tạo ra năng lượng theo cách mà chúng tôi đã chứng minh chỉ từ thân nhiệt con người - thứ mà bạn có thể thấy chúng phát sáng trong máy ảnh nhiệt", phó giáo sư Ekins-Daukes cho biết.
"Tóm lại, công nghệ này có khả năng thu thập năng lượng đó và loại bỏ nhu cầu sử dụng pin trong một số thiết bị - hoặc giúp sạc lại chúng. Giới hạn của ứng dụng không chỉ là năng lượng Mặt Trời".
Bất cứ đâu nơi mà một máy ảnh nhiệt chụp được năng lượng, chúng ta có thể tìm cách thu chúng, bao gồm cả thân nhiệt.
Nhóm nghiên cứu tại NSWU hy vọng các nhà lãnh đạo trong ngành công nghiệp sẽ nhận ra tiềm năng của công nghệ mới này và hỗ trợ cho sự phát triển của nó. Bởi dù thế nào, một nghiên cứu muốn đi ra khỏi phòng thí nghiệm và ứng dụng vào đời sống sẽ cần phải được thương mại hóa thành công.
"Tôi nghĩ rằng đây là một công nghệ đột phá, và chúng ta không nên đánh giá thấp vai trò vào cuộc của các ngành công nghiệp, họ phải tham gia và thực sự thúc đẩy nó", phó giáo sư Ekins-Daukes cho biết.
"Nếu ngành công nghiệp có thể coi đây là một công nghệ có giá trị đối với họ, thì tiến độ phát triển các tấm pin năng lượng Mặt Trời ban đêm này có thể được thúc đẩy cực kỳ nhanh chóng".
Nghiên cứu hiện đã được công bố trêntạp chí ACS Photonics.
Tổng hợp