Cỗ máy đầu tiên mô phỏng đời sống thực vật

Lần đầu tiên, các nhà khoa học chế tạo thành công một cỗ máy có khả năng bắt chước hoạt động quang hợp của cây xanh, biến ánh sáng mặt trời thành nhiên liệu có thể sử dụng. Thay vì chỉ tạo ra điện dùng ngay, thiết bị này hướng tới việc sản xuất nhiên liệu hóa học, qua đó mở thêm cách khai thác năng lượng mặt trời và giải quyết bài toán lưu trữ. Công trình do các nhà nghiên cứu Mỹ và Thụy Sĩ thực hiện, được xem là bước tiến đáng chú ý trong nỗ lực mô phỏng một chức năng quan trọng của đời sống thực vật. Trung tâm của nguyên mẫu là ceria, một loại ô-xít kim loại có công thức hóa học CeO2, sở hữu khả năng trao đổi oxygen khi nhiệt độ thay đổi. Khi được đun nóng, ceria giải phóng oxygen, còn lúc nguội xuống, vật liệu này lại hấp thụ oxygen từ những chất được đưa vào bên trong thiết bị. Cơ chế hai chiều đó cho phép cỗ máy tách carbon dioxide hoặc nước, tạo ra những dạng nhiên liệu có thể cất trữ, vận chuyển và sử dụng vào thời điểm thích hợp. Nguyên mẫu sử dụng một cửa sổ thạch anh cùng một hốc chứa cũng bằng thạch anh, nhằm tập trung ánh sáng mặt trời vào khung hình trụ chế tạo từ ceria. Ánh sáng được dồn vào vùng phản ứng, làm nóng ceria và kích hoạt chu trình trao đổi oxygen, nền tảng giúp thiết bị thực hiện quá trình chuyển hóa năng lượng. Khi carbon dioxide và hoặc nước được bơm qua ống dẫn, ceria nhanh chóng lấy đi các nguyên tử oxygen trong những phân tử này. Kết quả là carbon dioxide có thể tạo carbon monoxide, còn nước có thể tạo hydrogen, tùy theo chất được đưa vào và điều kiện vận hành cụ thể. Hydrogen sản xuất từ cỗ máy có thể dùng làm nhiên liệu cho các phương tiện chạy bằng hydrogen, một hướng công nghệ được quan tâm trong lĩnh vực giao thông sạch. Trong khi đó, hỗn hợp hydrogen và carbon monoxide có thể được sử dụng để tạo khí đốt tổng hợp, nguyên liệu phục vụ nhiều quy trình sản xuất năng lượng. Giáo sư Sossina Haile thuộc Viện Công nghệ California, Mỹ, cho rằng việc khai thác đặc tính đặc biệt của ceria trong phản ứng điện mặt trời đã tạo nên bước đột phá. Theo bà Haile, thiết bị còn có khả năng sản xuất khí methane, qua đó mở rộng danh sách nhiên liệu có thể tạo ra từ ánh sáng mặt trời và các chất ban đầu. Tuy nhiên, nguyên mẫu đầu tiên vẫn hoạt động kém hiệu quả, khi chỉ chuyển đổi được khoảng 0,7 đến 0,8% năng lượng hấp thụ từ mặt trời thành nhiên liệu. Phần lớn năng lượng bị thất thoát trong quá trình vận hành, khiến hiệu suất hiện tại còn cách khá xa mức cần thiết để công nghệ được triển khai rộng rãi. Dù vậy, các chuyên gia nhận định nhược điểm này có thể được khắc phục tương đối nhanh bằng những điều chỉnh phù hợp trong thiết kế của thiết bị. Chỉ cần tăng khả năng chống thoát nhiệt, hiệu suất sản xuất được dự đoán có thể đạt 19%, mức được xem là đủ để công nghệ tiến tới thị trường. Daniel Davies, người đứng đầu bộ phận công nghệ của công ty sản xuất tấm quang điện Solar Century tại Anh, đánh giá kết quả nghiên cứu rất khả quan. Nhận định này xuất hiện trong bối cảnh điện mặt trời phát triển nhanh, nhưng ngành vẫn phải đối mặt với những thách thức lâu nay về hiệu quả, chi phí và lưu trữ năng lượng. Các tấm thu quang điện thông thường chuyển ánh sáng thành dòng điện nhờ chất bán dẫn, nhưng nguồn điện này thường cần sử dụng ngay và không phát điện khi trời tối. Một số nhà máy tháp điện thế hệ mới tại Tây Ban Nha và Mỹ tập trung ánh sáng bằng các lớp kính vào tháp nhận, sau đó dùng nhiệt để vận hành tuabin hơi. Tại Tây Ban Nha, một dự án khác sử dụng cát nóng chảy để lưu giữ nhiệt từ ánh sáng mặt trời trong thời gian lên tới 15 giờ. Khả năng giữ nhiệt lâu giúp nhà máy tiếp tục hoạt động vào ban đêm, còn cỗ máy dùng ceria lại tiếp cận bài toán lưu trữ bằng cách biến ánh sáng thành nhiên liệu hóa học.