Bắt chước tự nhiên làm 'lá nhân tạo' sinh ra nhiên liệu sạch

Điều gì sẽ xảy ra nếu con người có thể sao chép cách thực vật tạo ra năng lượng, và sử dụng nguồn năng lượng đó để vận hành thế giới?

• Thành phố bitcoin đầu tiên trên thế giới xây từ năng lượng núi lửa
• Học sinh chế tạo bình lọc nước từ năng lượng mặt trời
• Tạo năng lượng cho xe điện từ nước, CO2

Một "chiếc lá nhân tạo" trôi nổi trên sông Cam gần nhà nguyện King’s College ở Cambridge, Vương quốc Anh - Ảnh: Virgil Andrei

Trong một công bố trên tạp chí Nature vào tuần trước, nhóm nghiên cứu từ Đại học Cambridge cho biết họ đã tạo ra nguyên mẫu của một thiết bị có khả năng chuyển hóa năng lượng từ Mặt trời và nước.

"Lá nhân tạo của chúng tôi hoạt động tương tự như lá cây", tiến sĩ Virgil Andrei - nhà nghiên cứu tại Đại học Cambridge và là một trong những đồng tác giả của nghiên cứu - cho biết trong một email. "Tuy nhiên, thay vì đường, chúng tôi đang sản xuất các hóa chất hữu ích".

Những chiếc lá mà Andrei và các đồng nghiệp của ông tạo ra không phải là tấm pin năng lượng mặt trời. Để giải thích rõ hơn, công nghệ này sử dụng ánh sáng của Mặt trời để tạo ra một loại phản ứng hóa học, mà trong trường hợp này là những nguyên liệu cần thiết cho các loại nhiên liệu lỏng. 

Những chiếc lá sao chép quá trình quang hợp của thực vật bằng cách sử dụng hai loại pin nhiên liệu khác nhau được làm từ perovskite chì (một loại pin mặt trời) để sản xuất các loại khí tổng hợp.

Khí tổng hợp là sự kết hợp của các phân tử hydro và carbon monoxide, đây là thành phần quan trọng của nhiều quy trình sản xuất công nghiệp. Khí tổng hợp cũng có thể được sử dụng như một dạng nhiên liệu, hy vọng trong tương lai có thể thay thế cho các loại nhiên liệu được dùng cho ngành hàng không và xe hơi.

Tuy nhiên, khí tổng hợp thường được sản xuất bằng cách sử dụng các nhiên liệu hóa thạch như than đá và khí đốt tự nhiên, vẫn có sự tác động đáng kể đối với môi trường. Chiếc lá nhân tạo này được hy vọng là có thể thay thế khí tổng hợp, loại bỏ vấn đề liên quan đến môi trường.

Nhóm nghiên cứu tại Cambridge đã phát triển một phiên bản trước của chiếc lá vào năm 2019, có thể tạo ra các thành phần của khí tổng hợp từ ánh sáng mặt trời. Nhưng công nghệ đó quá tốn kém và nặng nề, giới hạn rất nhiều trong việc ứng dụng thực tế và chỉ có thể đặt tại một số vị trí cụ thể.

"Hầu hết các lá nhân tạo đều khá phức tạp và chỉ có thể sản xuất nhiên liệu ở quy mô phòng thí nghiệm nhỏ", tiến sĩ Andrei giải thích. 

"Ở đây, chúng tôi muốn thiết kế lại cấu trúc của chiếc lá để chúng có thể được sử dụng rộng rãi hơn, phù hợp cho các ứng dụng thực tế. Vì mục đích này, chúng tôi đã giảm trọng lượng của thiết bị bằng cách đặt các chất hấp thụ ánh sáng trên các chất nền mỏng và linh hoạt hơn. Kết quả là các thiết bị của chúng tôi trở nên nhẹ đến mức có thể nổi trên mặt nước, tương tự lá sen", ông nói thêm.

Các nhà khoa học đã thử nghiệm thực tiễn lá nhân tạo và cho biết nó có thể được sử dụng để cung cấp nhiên liệu cho tàu bè hoặc những người sống trên các đảo nhỏ - Ảnh: Virgil Andrei

Ông Andrei nói rằng các phiên bản mới vẫn chỉ là hàng mẫu và cần phải trải qua nhiều bước kiểm tra nữa để đảm bảo chúng sẽ hoạt động tốt trong thực tế. Nhưng thiết kế của chiếc lá mới này hứa hẹn sẽ mở ra một tương lai tươi sáng cho giới công nghệ.

"Những chiếc lá này có thể được ghép lại thành những mảng lớn, đặt trên hồ, sông và bờ biển. Chúng linh hoạt, nhẹ, có thể dễ dàng vận chuyển đến các khu vực xa xôi như các hòn đảo, cho phép sản xuất nhiên liệu ở nhiều nơi thay vì chỉ tập trung ở một khu vực cố định. 

Lá có thể tận dụng thêm các vùng nước bị ô nhiễm như các hồ khai thác hoặc gần các bến cảng. Hơn nữa, chúng có thể ngăn chặn sự bốc hơi ẩm từ các kênh tưới tiêu, một điều rất đáng để xem xét trong các đợt nắng nóng và hạn hán kéo dài như hiện nay", nhà nghiên cứu nói về các khả năng ứng dụng.