Pin mặt trời tạo nước từ không khí: Giải pháp kép cho sa mạc

Pin mặt trời tạo nước sạch từ không khí đang trở thành một giải pháp đột phá. Theo các nghiên cứu, phần lớn năng lượng chiếu vào tấm pin mặt trời bị lãng phí dưới dạng nhiệt, làm giảm hiệu suất và bỏ lỡ một cơ hội quý giá. Tình trạng này càng trầm trọng hơn khi hàng tỷ người trên thế giới vẫn không được tiếp cận nguồn nước uống an toàn, đặc biệt ở các khu vực khô hạn như sa mạc, nơi nước sạch là tài nguyên vô cùng khan hiếm.

Tuy nhiên, nhóm nghiên cứu của Peng Wang tại Đại học King Abdullah (Ả Rập Xê Út) đã tìm ra một hướng đi mới. Thay vì chỉ tập trung vào việc tối đa hóa lượng năng lượng thu được, họ phát triển một công nghệ độc đáo sử dụng chính nhiệt lượng dư thừa từ tấm pin để khai thác hơi nước trong không khí, biến chúng thành nước sạch. Phát minh này không chỉ giúp tối ưu hóa hiệu suất của pin mặt trời bằng cách làm mát chúng, mà còn mở ra hy vọng về việc cung cấp nước uống và tưới tiêu cho những cộng đồng khó khăn, mang lại cuộc sống tốt đẹp hơn cho những nơi thiếu thốn cả điện và nước.

Theo nhà nghiên cứu công nghệ năng lượng Peng Wang, ít hơn 20% năng lượng chiếu vào tấm pin mặt trời được biến thành điện năng, nghĩa là hầu hết năng lượng mặt trời sẽ bị lãng phí. Phần năng lượng dư thừa có thể khiến tấm pin hoạt động kém hiệu quả hơn.

Trong nhiều thập kỷ, các nhà khoa học đã tập trung vào việc tối đa hóa lượng điện sản xuất từ các tấm pin mặt trời, chẳng hạn bằng cách sử dụng chấm lượng tử để thu nhiều bước sóng ánh sáng hơn. Tuy nhiên, Peng Wang, một nhà nghiên cứu công nghệ năng lượng hàng đầu, đã đưa ra một góc nhìn mới: tận dụng phần năng lượng dư thừa thường bị lãng phí để giải quyết một trong những thách thức lớn nhất của nhân loại – khan hiếm nước.

Tại Đại học King Abdullah (KAUST) ở Ả Rập Xê Út, nhóm nghiên cứu của Wang đã chọn một hướng đi khác biệt. Thay vì chỉ tập trung vào hiệu suất điện, họ khai thác nhiệt lượng thải ra từ các tấm pin mặt trời để tạo ra nước sạch từ không khí, một giải pháp đặc biệt hữu ích cho các vùng sa mạc khô cằn. Wang, người đã gia nhập KAUST sau khi tốt nghiệp năm 2009, bị cuốn hút bởi lời hứa “tài trợ không giới hạn” tại một trung tâm nghiên cứu nổi tiếng về khai thác năng lượng mặt trời, khử muối nước và biến đổi gen thực vật thích nghi với môi trường khắc nghiệt.

Mô hình thử nghiệm pin mặt trời tạo nước sạch từ không khí

Chứng kiến tình cảnh khó khăn về nguồn cung nước ở các vùng nông thôn Ả Rập Xê Út, nơi nước phải vận chuyển bằng xe tải, đã thôi thúc Peng Wang điều chỉnh hướng nghiên cứu của mình. Ông đặt mục tiêu tạo ra đồng thời nước, thực phẩm và năng lượng, giúp những người dân không tiếp cận được cơ sở hạ tầng hiện đại vẫn có “một cuộc sống tốt đẹp”.

Nước có ở khắp mọi nơi, nhưng hàng tỷ người vẫn chịu khát

Thực tế đáng báo động là Liên Hiệp Quốc công bố hơn hai tỷ người đang thiếu nước uống an toàn, và hơn 2,3 tỷ người (chiếm 30% dân số toàn cầu) không có đủ lương thực quanh năm. Trong bối cảnh đó, hơi nước tồn tại dồi dào trong khí quyển, với khoảng 37 nghìn tỷ tấn lưu thông mỗi năm. Tuy nhiên, việc chuyển đổi hơi nước này thành nước lỏng ở quy mô lớn vẫn là một thách thức công nghệ đáng kể.

Hàng tỷ người trên thế giới đang thiếu nước uống an toàn

Các nhà nghiên cứu tại phòng thí nghiệm X của Google (Alphabet) đã ước tính rằng việc khai thác hơi nước khí quyển có thể cung cấp nước sạch cho khoảng một tỷ người nếu công nghệ đạt được những tiến bộ nhất định. Thiết bị do nhóm của Peng Wang phát minh mang tiềm năng lớn để hiện thực hóa mục tiêu cao cả này.

Sử dụng nguồn nhiệt lượng lãng phí

Sáng chế của Peng Wang dựa trên một loại công nghệ hydrogel đặc biệt mà nhóm của ông đã nghiên cứu trong nhiều năm. Loại vật liệu này có hai yếu tố chính cấu thành. Thứ nhất, nó chứa một loại muối hút ẩm cực mạnh, có khả năng tự hòa tan trong chính lượng nước mà nó hấp thụ từ không khí. Thứ hai, hydrogel có cấu trúc polyme liên kết chặt chẽ với độ xốp cao, tạo ra vô số không gian nhỏ để các phân tử nước có thể dễ dàng đọng lại bên trong.

Hydrogel có khả năng hút và lưu trữ nước hiệu quả

Sự kết hợp độc đáo này giúp hydrogel có khả năng hút và trữ nước cực kỳ hiệu quả. So với các vật liệu hút nước khác như zeolit – vốn cần nhiệt độ rất cao để giải phóng nước đã hấp thụ – hydrogel của Wang nổi bật hơn hẳn. Nó có thể giải phóng các phân tử nước ở nhiệt độ thấp hơn đáng kể. Điều này đặc biệt quan trọng vì nhiệt lượng dư thừa từ phía sau các tấm năng lượng mặt trời là đã đủ để kích hoạt quá trình lấy nước từ hydrogel, tạo nên một chu trình khép kín và hiệu quả.

Nhiệt lượng thừa từ pin mặt trời kích hoạt quá trình giải phóng nước từ hydrogel

Sáng chế của Peng Wang có thể hoạt động theo hai chế độ chính, thể hiện sự linh hoạt trong việc tối ưu hóa hiệu suất và sản xuất tài nguyên. Đây là một cách pin mặt trời làm mát và tạo nước hiệu quả:

• Chế độ làm mát: Trong chế độ này, hydrogel luôn được tiếp xúc với không khí. Vào ban đêm, vật liệu sẽ thu thập các phân tử nước từ môi trường. Khi mặt trời làm nóng tấm pin mặt trời vào ban ngày, nước trong hydrogel sẽ bay hơi, mang theo năng lượng nhiệt dư thừa tương tự như cách cơ thể người toát mồ hôi để giảm nhiệt độ. Chế độ này không thu thập nước nhưng có thể tăng sản lượng điện của tấm pin năng lượng mặt trời lên khoảng 10%, cải thiện hiệu suất tổng thể.
• Chế độ sản xuất nước: Ở chế độ này, hydrogel sẽ tiếp xúc với không khí vào ban đêm để hấp thụ nước và sau đó được đóng kín vào ban ngày. Nước bay hơi từ hydrogel sẽ được ngưng tụ trong một buồng chứa, cho phép thu thập và sử dụng nguồn nước sạch quý giá. Đây chính là cách hệ thống pin mặt trời tạo nước sạch từ không khí.

Chế độ làm mát (trên) và chế độ sản xuất nước (dưới)

Hiện tại, hệ thống vẫn đang trong giai đoạn phát triển và chưa tạo ra nhiều nước, chỉ đủ để trồng một ít rau, nhưng đây là một bằng chứng khả thi cho thấy tiềm năng to lớn của phương pháp này. Trong các thử nghiệm, một tấm pin mặt trời có kích thước bằng bàn học đã tạo ra tổng cộng 1.519 Wh điện và khoảng 2 lít nước trong hai tuần. Đặc biệt, 57 trong số 60 hạt rau muống đã nảy mầm và phát triển bình thường đến 18 cm, cho thấy khả năng hỗ trợ nông nghiệp quy mô nhỏ.

Rau muống phát triển tốt nhờ nước thu được từ hệ thống pin mặt trời

Mặc dù hiệu suất của hệ thống vẫn cần được tối ưu hóa, nhưng tiềm năng ứng dụng của nó là rất lớn. Công nghệ này có thể được triển khai tại các trang trại năng lượng tái tạo (thường nằm ở những vùng khan hiếm nước) hoặc các ngôi làng, cộng đồng nhỏ trên khắp thế giới để cung cấp đồng thời điện và nước sạch. Điều này góp phần quan trọng vào mục tiêu phát triển bền vững, đặc biệt là ở những khu vực đang đối mặt với thách thức về nguồn tài nguyên.

Câu hỏi thường gặp về pin mặt trời tạo nước:

Pin mặt trời có thể tạo ra nước như thế nào?: Pin mặt trời tạo ra nước bằng cách sử dụng nhiệt lượng lãng phí từ chính tấm pin để kích hoạt một loại hydrogel đặc biệt. Hydrogel này hút hơi nước từ không khí vào ban đêm và sau đó giải phóng nước khi được làm nóng bởi nhiệt của pin mặt trời vào ban ngày, nước sẽ được ngưng tụ thành dạng lỏng.

Công nghệ này mang lại lợi ích gì ngoài việc tạo ra nước?: Ngoài việc tạo ra nước sạch, công nghệ này còn giúp làm mát các tấm pin mặt trời, từ đó tăng hiệu suất sản xuất điện của chúng lên khoảng 10%, biến nhiệt lượng lãng phí thành nguồn tài nguyên kép: điện và nước.

Ai là người đứng sau phát minh này?: Phát minh này do nhóm nghiên cứu của nhà khoa học Peng Wang tại Đại học King Abdullah ở Ả Rập Xê Út dẫn đầu.

Công nghệ này có thể áp dụng ở đâu?: Công nghệ này có tiềm năng lớn để triển khai ở các trang trại năng lượng mặt trời, các vùng sa mạc, và đặc biệt là các làng mạc, cộng đồng nhỏ trên khắp thế giới nơi nguồn nước và điện còn hạn chế.