Trong nhiều thập kỷ, việc biến nước mặn thành nước ngọt luôn là một bài toán đánh đố nhân loại. Các quốc gia phải đổ những khoản tiền khổng lồ vào các hệ thống lọc quy mô lớn ngốn điện. Nhưng một nhóm nhà khoa học Trung Quốc vừa xô đổ rào cản đó bằng một hệ thống quang nhiệt tự hành, mở ra hy vọng sinh tồn cho hàng triệu người tại các vùng duyên hải và hải đảo xa xôi
Giải mã công nghệ quang nhiệt
Nhìn vào bức tranh toàn cảnh, khử mặn nước biển truyền thống là một cỗ máy đốt tiền và năng lượng. Công nghệ thẩm thấu ngược đang thống trị thế giới đòi hỏi nguồn điện năng khổng lồ để ép nước qua các màng lọc siêu việt. Chi phí đắt đỏ khiến đặc quyền này gần như chỉ dành cho các quốc gia vùng Vịnh giàu có, nơi đang nắm giữ 40% tổng lượng nước khử mặn toàn cầu nhờ hàng trăm nhà máy khổng lồ đặt dọc bờ biển.
Nhà máy khử muối sản xuất nước ngọtTrước áp lực biến đổi khí hậu, Viện Kỹ thuật Quá trình trực thuộc Viện Hàn lâm Khoa học Trung Quốc và Đại học Thâm Quyến đã rẽ sang một hướng đi hoàn toàn khác. Thay vì dùng điện lưới, họ tận dụng nguồn năng lượng miễn phí và vô tận là ánh sáng tự nhiên.
Nghiên cứu vừa được công bố trên tạp chí khoa học Advanced Materials cho thấy hệ thống này sở hữu một loại vật liệu quang nhiệt thế hệ mới. Vật liệu này có khả năng hấp thụ bức xạ Mặt Trời để chuyển hóa trực tiếp thành nhiệt năng, đun nóng và làm bốc hơi nước biển với mức tiêu hao năng lượng giảm gần một nửa so với các phương pháp thông thường.
Đáng chú ý, các chuyên gia ước tính nếu duy trì hoạt động ổn định trong vòng hai năm, chi phí tạo ra một lít nước sạch từ hệ thống này sẽ rẻ hơn mức giá người tiêu dùng đang trả cho nước đóng chai ngoài siêu thị. Nếu đưa vào sản xuất thương mại hàng loạt, lợi thế kinh tế sẽ càng nới rộng.
Cảm hứng từ chiếc cúc áo xóa bỏ lỗ hổng kỹ thuật
Vật liệu quang nhiệt hiệu năng cao thường được cấu thành từ vô số hạt nano siêu nhỏ. Nhưng trên thực tế, khi phải phơi mình dưới sức nóng và cường độ ánh sáng cao trong thời gian dài, các hạt này có xu hướng kết dính lại với nhau như bột mì gặp nước. Sự vón cục này bít kín các khe hở, ngăn cản hơi nước thoát ra ngoài và kéo lùi toàn bộ hiệu suất của hệ thống. Hơn thế nữa, các liên kết hữu cơ thông thường rất dễ bị tia cực tím đánh gãy.
Để hóa giải điểm yếu chí mạng này, nhóm nghiên cứu đã tìm thấy câu trả lời từ một hành động cực kỳ bình dị là đơm cúc áo. Họ tái cấu trúc các hạt nano thành dạng rỗng nhiều lớp, bề mặt đục vô số lỗ xốp vi mô. Sau đó, một dung môi đặc biệt được sử dụng để dẫn dắt các chuỗi polymer luồn lách qua những lỗ xốp này, tương tự như cách con người xỏ kim qua vải.
Quá trình lắp ghép này tạo ra một hệ thống liên kết không gian vững chắc. Khi nhiệt độ hạ xuống, các chuỗi polymer tự động khóa chặt, tạo thành một mạng lưới nano ba chiều bền bỉ trước mọi tác động phân hủy. Chính cấu trúc đặc biệt này đã ép các tia sáng Mặt Trời phải liên tục phản xạ và tán xạ bên trong vật liệu, đẩy tỷ lệ hấp thụ năng lượng chạm ngưỡng 90,2% và giảm lượng nhiệt cần thiết để bốc hơi nước xuống 45,7%.
Bài toán thương mại hóa
Một thiết bị nằm trong phòng thí nghiệm sẽ vô nghĩa nếu không thể chống chọi với sự khắc nghiệt của đại dương. Nhóm nghiên cứu đã ném vật liệu vào môi trường nước biển nhân tạo và dùng máy khuấy liên tục ở tốc độ 450 vòng mỗi phút trong ròng rã 30 ngày. Kết quả soi chiếu dưới kính hiển vi điện tử xác nhận cấu trúc vật liệu gần như nguyên vẹn, không có hiện tượng bong tróc hay đứt gãy.
Bước ra khỏi lồng kính, một mô hình thực địa rộng 0,75 mét vuông đã được lắp đặt. Hệ thống hoạt động độc lập hoàn toàn, chỉ mượn một tấm pin Mặt Trời nhỏ gọn để cấp nguồn cho chiếc quạt luân chuyển hơi nước sang buồng ngưng tụ. Mỗi ngày, cỗ máy thầm lặng này chắt lọc được hơn 20 lít nước ngọt, đủ thỏa mãn nhu cầu nước uống cơ bản cho khoảng 10 người.
Phân tích sinh hóa từ Viện Kỹ thuật Quá trình khẳng định nguồn nước thu được vượt qua mọi tiêu chuẩn khắt khe về nước uống do Tổ chức Y tế Thế giới đề ra. Dòng nước tinh khiết này sau đó được dẫn thẳng ra một khu vườn thử nghiệm rộng 5 mét vuông. Những luống rau bina, ngô và cải thảo đã hoàn tất trọn vẹn chu kỳ sinh trưởng của mình chỉ nhờ nguồn nước vắt ra từ biển cả.
Trải qua trọn vẹn một năm dãi dầu sương gió, hệ thống vẫn duy trì sản lượng ổn định. Bước đi tiếp theo của giới khoa học là tối ưu hóa buồng ngưng tụ và cắt giảm chi phí sản xuất để đưa công nghệ này tiến thẳng ra những hòn đảo xa xôi và các vùng duyên hải đang khô hạn trên toàn cầu.
