Phát hiện mới: Pin mặt trời tạo ra nước trên sa mạc

Các nhà nghiên cứu đã dành nhiều thập kỷ để tìm ra cách sản xuất được nhiều điện hơn từ các tấm pin mặt trời, họ đưa ra các giải pháp như thay thế silicon bằng chấm lượng tử để thu được nhiều bước sóng ánh sáng hơn.

Nhóm nghiên cứu của Wang tại Đại học King Abdullah ở Ả Rập Xê Út không tập trung vào tối đa hóa lượng năng lượng mặt trời thu được, mà tìm cách tận dụng nhiệt lượng thừa thải để tạo ra nước từ không khí trên sa mạc.

Wang lấy bằng Tiến sĩ từ Đại học California tại Santa Barbara vào năm 2009, vài tháng sau, Đại học Khoa học và Công nghệ King Abdullah mở cửa. Trường đại học này được mô tả như một tổ chức nghiên cứu cách khai thác năng lượng mặt trời, khử muối trong nước và biến đổi gen thực vật để tồn tại trong sa mạc khắc nghiệt.

Trường đại học đã đưa ra lời hứa “tài trợ không giới hạn” để mời Wang về làm việc. Khi đến nơi ở mới của mình, Wang đã bất ngờ bởi những gì anh nhìn thấy ở các vùng nông thôn của Ả Rập Xê Út.

"Khi bạn đi khỏi thành phố và đến những ngôi làng nhỏ, nguồn cung nước là rất khó khăn vì cách duy nhất để lấy nước là vận chuyển bằng xe tải”.

Môi trường sống này khiến anh phải điều chỉnh chương trình nghiên cứu của mình và tìm kiếm những cách tạo ra nước, thực phẩm và năng lượng. Anh muốn đảm bảo những người không tiếp cận được cơ sở hạ tầng tiện lợi vẫn có thể có “một cuộc sống tốt”.

Liên Hiệp Quốc cho biết hơn hai tỷ người không được tiếp cận với các dịch vụ nước uống được quản lý an toàn. Hơn 2,3 tỷ người (chiếm 30% dân số toàn cầu) quanh năm không được tiếp cận với thực phẩm đầy đủ.

Tuy nhiên, nước - ở dạng hơi - có mặt ở mọi nơi. 37 nghìn tỷ tấn luân chuyển qua bầu khí quyển mỗi năm. Vấn đề là việc biến đổi hơi nước thành nước lỏng rất khó để thực hiện ở quy mô lớn.

Cách đây chưa đầy một năm, các nhà nghiên cứu làm việc tại X, một phòng thí nghiệm nghiên cứu thuộc sở hữu của công ty mẹ Google là Alphabet, đã xuất bản một bài báo trên tạp chí Nature, cho rằng với một chút tiến bộ công nghệ, việc thu hoạch nước trong khí quyển có thể cung cấp nước sạch cho khoảng một tỷ người. Thiết bị mà nhóm của Wang phát minh ra có thể góp phần vào mục tiêu cao cả đó.

Sáng chế dựa trên một loại hydrogel mà nhóm của Wang đã nghiên cứu trong vài năm. Nó có hai yếu tố chính, đầu tiên, có một loại muối hút ẩm, rất hút các phân tử nước. Wang nói nếu đặt một nhúm muối này lên bàn, bạn sẽ sớm có một vũng nước vì muối hút nước từ không khí mạnh đến mức nó sẽ tự hòa tan trong nước mà nó hút được.

Yếu tố thứ hai là một cấu trúc polyme liên kết với nhau có độ xốp cao, để lại nhiều chỗ cho các phân tử nước đọng lại bên trong.

Một số vật liệu như zeolit, một khoáng chất làm bằng silicon, nhôm và oxy - có các đặc tính hút nước tương tự. Vấn đề là không dễ để lấy nước trở lại từ những vật liệu đó. Ví dụ như zeolit phải rất nóng trước khi giải phóng các phân tử nước bị giữ bên trong.

Hydrogel của Wang đặc biệt vì nó cho phép các phân tử nước thoát ra ở nhiệt độ thấp hơn nhiều. Nhiệt lượng dư thừa từ phía sau của một tấm pin mặt trời là đã quá đủ để thực hiện quá trình lấy nước.

Sáng chế của Wang có thể hoạt động theo hai cách khác nhau. Ở chế độ làm mát, hydrogel luôn tiếp xúc với không khí. Trong đêm, vật liệu thu thập các phân tử nước. Khi mặt trời làm nóng tấm pin vào ngày hôm sau, các phân tử bay hơi, mang theo năng lượng nhiệt dư thừa.

Wang nói: “Tương tự cơ thể con người giảm nhiệt độ bằng cách thoát mồ hôi. Chế độ làm mát không thu thập nước, nhưng nó có thể tăng sản lượng điện của tấm pin năng lượng mặt trời lên khoảng 10%.”

Trong chế độ sản xuất nước, hydrogel tiếp xúc với không khí vào ban đêm và đóng kín vào ban ngày. Bằng cách đó, nước thoát ra từ hydrogel có thể được đưa vào sử dụng. Nước bay hơi được ngưng tụ trong một buồng chứa.

Như hiện tại, hệ thống vẫn chưa thể tạo ra nhiều nước, chỉ đủ để trồng một ít rau, nhưng đây là bằng chứng cho thấy phương pháp này có thể thu được nước. Trong suốt quá trình thử nghiệm, tấm pin mặt trời lớn bằng chiếc bàn học đã tạo ra tổng cộng 1.519 Wh điện và 57 trong số 60 hạt rau muống đã nảy mầm và phát triển bình thường đến 18 cm. Tổng cộng, khoảng 2 lít nước đã được ngưng tụ từ hydrogel trong khoảng thời gian hai tuần.

Chúng tôi còn một chặng đường dài phía trước vì hiệu suất của hệ thống vẫn chưa được tối ưu hóa. Hy vọng rằng sẽ sớm thôi, nó thể tạo ra tác động thực sự."

Tác động đó có thể xảy ra ở các trại năng lượng mặt trời thường được đặt ở những nơi mà nước là một nguồn tài nguyên đặc biệt quý giá. Nhưng đó không phải là cách duy nhất mà công nghệ này có thể được triển khai. Những người sống trong các ngôi làng và các cộng đồng nhỏ trên khắp thế giới có thể được hưởng lợi từ việc có các công nghệ tạo ra hai thứ quan trọng là điện và nước cùng một lúc.