Một nhóm nghiên cứu Đại học Northwestern vừa phát triển thành công pin nhiên liệu thu thập năng lượng từ vi sinh vật sống dưới đất.
Pin nhiên liệu lúc được rửa sạch trong phòng thí nghiệm - Ảnh: Bill Yen
Bên cạnh bài báo công bố hôm 12/01 trong kỷ yếu công nghệ tương tác, di động, mang trên người, và công nghệ phổ biến của Hiệp hội Máy tính (ACM), nhóm tác giả cũng công bố tất cả bản thiết kế, công cụ hướng dẫn và mô phỏng để công chúng có thể sử dụng, tiếp tục phát triển công trình.
Chỉ to bằng cuốn sách bìa mềm, pin nhiên liệu chạy bằng đất này có thể giúp vận hành các cảm biến lắp đặt dưới mặt đất, có tính ứng dụng cao trong hướng tiếp cận nông nghiệp chính xác và xây dựng hạ tầng xanh. Nó còn có tiềm năng thay thế các loại pin thông thường, vốn thôi nhiễm các hoá chất độc hại, dễ bắt lửa vào đất, cũng như gặp hàng tá vấn đề về chuỗi cung ứng và rác thải điện tử.
Nhóm nghiên cứu dùng pin nhiên liệu này để chạy các cảm biến đo độ ẩm của đất và phát hiện các tác động vật lý, từ đó cho biết có loài vật nào di chuyển gần đó hay không. Họ còn lắp ăng-ten tí hon cho các cảm biến để chúng có thể truyền dữ liệu cho trạm thu phát gần nhất thông qua cơ chế phản xạ các tín hiệu điện từ có sẵn.
Pin nhiên liệu không chỉ hoạt động bất kể điều kiện ẩm thấp hay khô nóng mà còn có tuổi thọ bằng 120% so với các pin khác sử dụng cùng công nghệ.
Cựu học viên Đại học Northwestern Bill Yen, Chủ nhiệm đề tài, nhận định: “Số lượng các thiết bị tham gia vào Internet vạn vật (IoT) ngày một tăng. Thử tưởng tượng tương lai với hàng triệu thiết bị như thế này, ta không thể dùng liti hay các kim loại nặng, độc hại để chế tạo tất cả, rất có hại cho môi trường. Trên con đường tìm loại pin cung cấp đủ điện năng vận hành mạng lưới các thiết bị phi tập trung, chúng tôi đã chú ý đến pin nhiên liệu vi sinh, tức dùng vi sinh vật chuyển hoá các chất hữu cơ trong đất trồng thành năng lượng vừa đủ để chạy các cảm biến. Chỉ cần cung cấp đủ cacbon hữu cơ cho vi sinh trong đất chuyển hoá, loại pin này về lý có thể chạy vĩnh viễn.”
Nhà nghiên cứu Bill Yen tại Đại học Northwestern - Ảnh: Bill Yen
George Wells từ Đại học Northwestern, tác giả chính của bài báo, cho biết: “Những loại vi sinh như vậy có mặt trong đất ở khắp nơi. Chỉ cần xây dựng một hệ thống đơn giản là có thể biến chúng thành “nguồn điện”. Tất nhiên lượng điện sản sinh ra không đủ chiếu sáng cả một thành phố, nhưng chắc chắn vẫn rất hữu ích cho các ứng dụng thực tiễn cần rất ít điện năng.”
Được biết Wells là Phó giáo sư kỹ thuật dân dụng và môi trường tại Khoa Kỹ thuật McCormick thuộc Đại học Northwestern còn Yen là học viên tiến sĩ tại Đại học Stanford đang làm công tác nghiên cứu tại phòng thí nghiệm của Wells.
Giải pháp cho nghề châm lấm tay bùn
Trong những năm gần đây, nông dân khắp nơi trên thế giới chọn nông nghiệp chính xác làm kim chỉ nam giúp tăng sản lượng thu hoạch. Hướng tiếp cận này ứng dụng công nghệ để do chính xác độ ẩm, lượng dưỡng chất và tạp chất trong đất trồng, từ đó thực hiện các biện pháp đảm bảo sức khoẻ cho cây. Mạng lưới thiết bị phủ rộng, phân tán là công cụ cốt yếu giúp nông dân thu thập được những dữ liệu như thế.
Yen giải thích: “Khi đặt một cảm biến vào môi trường tự nhiên hay vùng đầm lầy nào đó, bạn phải đảm bảo nó có nguồn pin hay có thể chạy bằng năng lượng mặt trời. Mà pin mặt trời lại không hoạt động hiệu quả trong những môi trường thường xuyên bị bùn đất che lấp, chưa kể là chúng chiếm dụng rất nhiều không gian mà lại không thể hoạt động khi không có ánh nắng. Không một nông dân nào muốn thường xuyên lặn lội cả trăm mẫu đất chỉ để thay pin cho từng cảm biến một hay phủi bụi các tấm pin mặt trời cả.”
Pin nhiên liệu dính đất cát sau khi được kéo từ đất lên - Ảnh: Bill Yen
Vì vậy mà Wells, Yen, cùng cộng sự nảy ra ý tưởng thu thập điện năng ngay từ môi trường. Yen nói: “Chúng ta hoàn toàn có thể thu được năng lượng từ chính khoảng đất trồng nơi nông dân canh tác mà.”
“Nỗ lực khó nhằn”
Là ý tưởng có từ tận năm 1911, pin nhiên liệu chạy bằng vi sinh (MFC) có cấu tạo tương tự pin: một cực dương catot, một cực âm anot, và dung dịch điện giải. Song, thay vì nhờ vào các phản ứng hoá học, MFC dùng chính electron do vi sinh giải phóng và được chất dẫn điện tiếp nhận để sản sinh mạch kín từ anot đến catot. Nhưng để các pin nhiên liệu này không bị gián đoạn, cần phải cung cấp đủ nước và oxy - vốn là một vấn đề nan giải khi chôn chúng dưới lớp đất khô.
Yen giải thích thêm: “Mặc dù đã tồn tại cả thế kỷ nay, MCF vẫn chỉ là khái niệm trên giấy chứ ứng dụng thực tiễn là một nỗ lực khó nhằn. Chúng không đảm bảo vận hành trong mọi điều kiện, nhất là trong môi trường độ ẩm thấp, mà dòng điện sinh ra cũng không đủ lớn.”
Thiết kế thắng thế
Nắm rõ những thử thách này, Yen cùng cộng sự dành ra 2 năm phát triển loại MFC hoạt động liên tục dưới đất, có tính ứng dụng thực tiễn. Trong quá trình tìm kiếm ứng viên sáng giá nhất, nhóm ông đã chế tạo và so sánh 4 mẫu khác nhau. Đầu tiên, họ thu thập dữ liệu về hiệu suất của từng mẫu trong 9 tháng hoạt động. Rồi họ đưa mẫu cuối ra thử nghiệm ở vườn ngoài trời.
Mẫu pin hiệu quả nhất hoạt động được cả trong môi trường khô nóng lẫn ứ nước. Đó là nhờ chính thiết kế của nó. Thay vì đặt anot và catot của pin song song nhau như các pin truyền thống, nhóm đã nảy ra ý tưởng bố trí chúng vuông góc nhau.
Làm từ nỉ cacbon (chất dẫn điện giá rẻ, nguồn cung dồi dào, có khả năng tiếp nhận electron giải phóng bởi vi sinh vật), anot được đặt nằm ngang theo phương mặt đất. Làm từ kim loại trơ dẫn điện tốt, catot được đặt theo phương thẳng đứng bên trên anot.
Mặc dù pin được chôn dưới đất, phần đầu của nó được cố định ngang với lớp đất bề mặt. Nắp đậy làm từ vật liệu in 3D chặn trên đầu ngăn bụi bẩn lọt vào bên trong pin. Lỗ nhỏ trên nắp và phần hở mặt bên catot giúp pin được thoáng khí.
Chân catot được chôn sâu trong đất để được đảm bảo được cấp ẩm thường xuyên, ngay cả khi lớp đất bề mặt đã khô đi do nước bốc hơi trong những ngày nắng nóng. Nhóm nghiên cứu còn làm lớp chống thấm cho catot để nó “thở được” trong các đợt lũ. Chưa kể là thiết kế dạng đứng còn giúp catot khô dần từng phần chứ không khô hết trong một lươt.
Tính trung bình pin nhiên liệu do nhóm sáng chế có thể tạo ra lượng điện lớn gấp 68 lần mức cần thiết để chạy các cảm biến. Nó cũng có thể chịu được các thay đổi lớn về độ ẩm môi trường, từ khô nóng (lượng nước chỉ còn 40% tính theo thể tích) cho đến ngập úng hoàn toàn.
Tăng khả năng tiếp cận
Nhóm nghiên cứu cho biết các cấu phần của loại pin MFC chạy bằng đất có thể mua được dễ dàng ở các cửa hàng cơ khí ở bất cứ đâu. Hiện họ đang hướng tới mục tiêu chế tạo MFC làm hoàn toàn từ vật liệu sinh học dễ phân huỷ. Cả mẫu pin đã công bố lẫn mẫu dự kiến nói trên đều không gặp vấn đề về chuỗi cung ứng và tránh sử dụng các loại khoáng sản xung đột.
Cấu tạo của pin nhiên liệu - Ảnh: Bill Yen
Josiah Hester, đồng tác giả bài nghiên cứu, trước đây từng là giảng viên Đại học Northwestern nhưng hiện tại công tác ở Viện Công nghệ Georgia, cho biết: “Qua đại dịch Covid-19, chúng ta đã quá quen với khủng hoảng chuỗi cung ứng toàn cầu đối với các mặt hàng điện tử. Vì vậy, chúng tôi muốn tạo ra thiết bị tận dụng nguồn cung sẵn có tại địa phương, giá thành rẻ, qua đó tăng khả năng tiếp cận công nghệ cho tất cả các cộng đồng trên thế giới.”
Huỳnh Trọng Nhân
(Lược dịch)