Đột phá năng lượng mặt trời

Các nhà nghiên cứu đã tìm ra một phương pháp rẻ tiền và dễ dàng để thu năng lượng mặt trời. Tin từ Học viện Công nghệ MIT mới đây có lẽ là tin rất vui cho nhiều người ở thời buổi xăng dầu đắt đỏ như hiện nay.

Các nhà nghiên cứu đã đạt được tiến bộ to lớn trong ngành hóa vô cơ giúp tạo ra cách thu trữ năng lượng mặt trời giá rẻ. Với cách đó, họ đã khắc phục được vấn đề xưa nay trong kỹ nghệ thu trữ năng lượng mặt trời: tốn quá nhiều điện năng để thu trữ năng lượng mặt trời, nghĩa là năng lượng mặt trời không hề rẻ.

Daniel Nocera đang thí nghiệm với thiết bị phân rã nước thành hydro và oxy.

Daniel Nocera, Giáo sư hóa học của MIT (Massachusetts Institute of Technology), hiện đã chế ra một chất xúc tác để có thể thu oxy từ một cốc nước bằng phản ứng phân rã các phân tử nước. Phản ứng này cũng giải phóng các ion Hydro để tạo thành khí gas. Chất xúc tác, chất dễ điều chế và rẻ tiền, dưới tác động của ánh sáng mặt trời sẽ tạo ra phản ứng hóa học làm thoát ra một khối lượng rất lớn khí hydro. Khí hydro thu được đó có thể được dùng cho động cơ đốt trong hoặc được dùng cho pin nhiên liệu để tạo ra điện năng khi cần (kể cả khi không có nắng).

Muốn thấy cái hay của phát minh này, ta hãy xem lại các nghiên cứu thu năng lượng mặt trời hiện có. Hạn chế lớn nhất của việc thu trực tiếp năng lượng mặt trời cho đến nay nằm ở chỗ các tấm pin mặt trời, trên thực tế, đạt hiệu suất rất thấp do chỉ thu năng lượng tốt có vài giờ trong ngày (ngày nắng). Thêm nữa, trong một cố gắng khác, người ta cũng đã dùng ánh nắng để gây phản ứng phân rã phân tử nước để biến năng lượng mặt trời thành khí hydro. Khốn nỗi, trên thực tế, giải pháp đó lại tiêu tốn quá nhiều điện năng để tạo ra hydro, vả lại còn phải dùng những vật liệu cực hiếm và cực đắt để làm chất xúc tác. Nghĩa là dùng năng lượng mặt trời của giải pháp này còn đắt hơn dùng điện thông thường.

Phương pháp của Nocera hiện được coi là phát minh mở đường cho toàn bộ cố gắng của nhiều nhóm nghiên cứu quang hợp nhân tạo - lĩnh vực bắt chước cách mà cây cối dùng ánh sáng mặt trời phân rã nước để lấy năng lượng. Karsten Meyer, Giáo sư hóa học tại Đại học tổng hợp Friedrich Alexander, Đức, đánh giá: “Phát minh này đích thực là một đột phá nền tảng. Có lẽ Nocera đã loại rất nhiều nhà nghiên cứu ra khỏi cuộc chiến thương mại. Đối với ngành năng lượng mặt trời, phát minh này có lẽ là phát minh duy nhất có tầm quan trọng nhất của thế kỷ 21”.

Chất xúc tác mới này là mốc đánh dấu cho một hành trình gian khổ. Các nhà nghiên cứu, kể cả Nocera, đã bỏ nhiều công lao để thử thiết kế ở mức phân tử các chất xúc tác sao cho vị trí của mỗi nguyên tử trong chất đó có thể được định vị chính xác và nó có thể được dùng lâu dài. Ngược lại, chất xúc tác vừa phát minh này lại là chất vô định hình, nghĩa là cấu trúc phân tử (vị trí của nguyên tử) bất quy tắc, và là chất tương đối không bền - dễ bị phân rã khi sử dụng. May thay, mặc dù không bền, chất xúc tác mới này lại có tính năng tự hồi phục để tái sử dụng.

Việc nghiên cứu tạo ra chất xúc tác trên là một phần trong chương trình nghiên cứu của Nocera với mục tiêu là phát triển một phương pháp quang hợp nhân tạo hoạt động hiệu quả hơn quang hợp tự nhiên và tạo ra nhiên liệu khả dụng, chẳng hạn hydro. Trước mắt, Nocera đã giải quyết được một vấn đề khá thách thức trong quang hợp nhân tạo là lấy được oxy từ nước. Tuy nhiên vẫn còn hai vấn đề cần giải quyết.

Thứ nhất, thay thế chất xúc tác platin rất đắt ở đầu điện cực tạo ra hydro bằng một chất kim loại khác, dễ kiếm và rẻ tiền hơn, tương tự như Nocera đã làm ở đầu điện cực tạo ra oxy. Theo John Turner, chuyên gia của Phòng thí nghiệm quốc gia Mỹ về năng lương tái tạo lại, thì việc tìm một chất xúc tác rẻ hơn để thu hydro không phải là việc quá khó. Chính Nocera đã tuyên bố ông có nhiều hướng đầy hứa hẹn cho việc tìm ra những vật liệu mới để làm chất xúc tác này và ngỏ ý mời các nhà nghiên cứu khác cùng tham gia.

Thứ hai, phát triển một chất hấp thụ ánh nắng thành điện đủ năng lượng cung cấp cho phản ứng phân rã nước, nhờ đó chất xúc tác của Nocera có thể hoạt động trực tiếp dưới ánh mặt trời. Hiện nay thì nguồn điện cho thí nghiệm vẫn phải lấy từ ổ cắm.

Cũng còn nhiều vấn đề kỹ thuật cần phải làm trước khi chất xúc tác của Nocera được đưa vào các thiết bị thương mại. Chẳng hạn cần phải cải thiện hiệu suất sản xuất ra oxy của chất xúc tác. Nocera và các cộng sự cam kết rằng các vấn đề kỹ thuật đó sẽ được giải quyết rất nhanh chóng bởi vì chất xúc tác này rất dễ chế tạo, nó cho phép các nhà nghiên cứu có thể bắt tay thực hiện ngay.

“Vẻ đẹp của hệ thống công nghệ này nằm ở chỗ là nó đơn giản đến nỗi nhiều người có thể ngay lập tức nhảy vào để làm cho nó tốt hơn”. Đó là kết luận của Giáo sư hóa sinh Thomas Moore của Đại học Arizona về phát minh đột phá này của Nocera.

Hoàng Quang Tuyến (nguồn: MIT, Techreviews)