Năng lượng “lạ” từ những ý tưởng táo bạo

Năng lượng vạn vật

Theo báo cáo của Cơ quan Năng lượng quốc tế IEA, thế giới cần bổ sung ít nhất 35% sản lượng điện từ các nguồn siêu sạch mới vào năm 2050 để đạt mục tiêu phát thải ròng bằng 0. Điều này đồng nghĩa với việc các công nghệ mới, dù nhỏ, đều có vai trò trong bức tranh tổng thể.

Một trong những ý tưởng được quan tâm gần đây là “năng lượng xanh lam” - nguồn điện sinh ra từ sự chênh lệch độ mặn giữa nước ngọt và nước biển. Khi hai dòng nước gặp nhau tại cửa sông, áp suất thẩm thấu (áp lực do nước di chuyển qua màng bán thấm) tự nhiên hình thành. Nếu đặt giữa chúng một màng bán thấm, nước ngọt sẽ tự động di chuyển sang phía nước mặn. Dòng chảy vi mô ấy có thể được “bắt” và chuyển thành điện năng.

Nhóm nghiên cứu tại Đại học Công nghệ Delft (Hà Lan) từng thử nghiệm công nghệ này tại cửa sông Afsluitdijk, cho kết quả khả quan: mỗi mét vuông màng tạo được vài watt điện. Giáo sư René van Roij (Đại học Utrecht) nhận xét: “Nguồn năng lượng này luôn sẵn có - dòng sông không ngừng đổ ra biển”, nhưng cũng cảnh báo rằng độ bền của màng và chi phí vật liệu vẫn là rào cản khiến công nghệ khó mở rộng quy mô thương mại.

Trong phòng thí nghiệm của Hàn Quốc và Nhật Bản, các nhóm nghiên cứu đang thử dùng màng nano và graphene để tăng hiệu suất 5-10 lần. Dù vậy, các chuyên gia dự báo ít nhất 10-15 năm nữa công nghệ mới có thể ứng dụng ở quy mô vừa và nhỏ, chẳng hạn cấp điện cho trạm quan trắc môi trường tại vùng cửa sông hay đảo ven bờ.

Nếu năng lượng thẩm thấu dựa vào chuyển động của nước, thì pin hạt nhân betavoltaic lại khai thác sự phân rã phóng xạ tạo ra các hạt electron năng lượng cao. Khi các electron này va vào lớp bán dẫn, chúng tạo ra điện năng ổn định suốt hàng chục năm. Loại pin này dùng lượng phóng xạ cực nhỏ, hoàn toàn không giống lò phản ứng hạt nhân. Nhờ không cần sạc, nó phù hợp cho thiết bị y học cấy ghép hoặc cảm biến đặt ở nơi con người khó tiếp cận. NASA đã ứng dụng nguyên lý tương tự trong tàu Voyager, giúp con tàu hoạt động hơn 4 thập niên.

Tiến sĩ Michael Spencer (Đại học Cornell, Mỹ) cho rằng: “Pin betavoltaic lý tưởng cho môi trường cực đoan. Nhưng, công suất quá nhỏ, không thể dùng nó để chạy cả một ngôi nhà”. Theo ông, hướng phát triển khả thi nhất là kết hợp pin hạt nhân với các hệ thống siêu tiết kiệm điện, nhằm tạo ra “nguồn năng lượng vĩnh cửu” cho những thiết bị như vệ tinh cỡ nhỏ, cảm biến đáy biển, hoặc bơm tim nhân tạo.

Vươn lên bầu trời

Trong khi Trái đất ngày càng chật chội, các cơ quan vũ trụ lại tìm đến một không gian rộng lớn hơn: quỹ đạo. Dự án năng lượng Mặt trời không gian (SBSP) được xem là một trong những tham vọng lớn nhất của ngành năng lượng hiện đại. Ý tưởng này đặt những tấm pin mặt trời khổng lồ ở quỹ đạo địa tĩnh - nơi ánh sáng mặt trời gần như không bao giờ bị che khuất. Năng lượng thu được sau đó truyền về trái đất bằng sóng vi ba hoặc tia laser. Ở độ cao 36.000km, lượng bức xạ mặt trời mạnh hơn mặt đất 7-8 lần, giúp tăng hiệu suất lên đáng kể.

Vừa qua, Cơ quan vũ trụ Nhật Bản (JAXA) thông báo thử nghiệm truyền thành công 1 kilowatt từ mô đun trên không xuống mặt đất. Kỹ sư Yasuyuki Fukumoto cho biết: “Vấn đề không nằm ở công nghệ mà là chi phí. Để đưa hàng ngàn tấn thiết bị lên quỹ đạo, cần tên lửa rẻ hơn và kỹ thuật bảo dưỡng an toàn hơn”. Các chuyên gia châu Âu ước tính, chi phí xây dựng một trạm SBSP quy mô lớn có thể lên đến hàng trăm tỷ USD.

Ngoài ra, việc truyền năng lượng bằng sóng vi ba đòi hỏi sự kiểm soát tần số, góc chiếu và khả năng khóa tia cực chính xác để bảo đảm không ảnh hưởng đến máy bay hay sinh vật. Dù vậy, theo Tiến sĩ Priya Bansal (Ấn Độ): “SBSP giống như internet thời kỳ sơ khai: đắt đỏ, rủi ro nhưng hứa hẹn trở thành xương sống năng lượng của tương lai”.

Nếu năng lượng ngoài không gian là giấc mơ lớn, thì năng lượng “vi mô” - từ sóng điện từ, rung động, nhiệt thừa hay bước chân - lại đang âm thầm len lỏi vào cuộc sống. Công nghệ rectenna (anten thu sóng và chuyển thành điện) có thể lấy năng lượng từ sóng radio, wifi hoặc tín hiệu điện thoại. Một nhóm kỹ sư Mỹ đã chế tạo mẫu rectenna siêu mỏng, có thể gấp như giấy, tạo ra 40 microwatt từ sóng wifi, đủ cung cấp cho một cảm biến nhiệt độ.

Tại London, hệ thống gạch piezo đặt dưới sàn ga tàu điện có khả năng phát điện nhờ áp lực từ bước chân hành khách. Dòng điện nhỏ được dùng để chiếu sáng bảng thông tin, giúp tiết kiệm năng lượng thường xuyên trong ngày. Vật liệu áp điện cũng được thử nghiệm trong giày thể thao, sàn nhà thông minh, đường chạy bộ và thậm chí là lớp phủ mặt đường cao tốc.

Các công nghệ năng lượng “kỳ lạ” vẫn đang trong nhiều mức độ thử nghiệm khác nhau. Một số có tiềm năng thương mại hóa trong 10 năm tới, như năng lượng chênh lệch độ mặn hoặc piezo. Một số khác cần thêm vài thập niên, như năng lượng Mặt trời không gian.

Dù còn xa vời với thực tế đại trà, các nguồn năng lượng “mới và lạ” này đang dần thoát khỏi vùng thử nghiệm để tiến vào đời sống. Cũng giống như cách điện mặt trời từng bị xem là viễn tưởng 30 năm trước, có thể một ngày nào đó, chính năng lượng từ “những điều kỳ lạ” sẽ thắp sáng hành tinh của chúng ta - âm thầm, bền bỉ và sạch sẽ hơn bao giờ hết.