Phát Điện Không Chất Thải Từ Muối và Băng: Phương Pháp Đột Phá Mới

Các nhà khoa học vừa khám phá ra một phương pháp tạo ra điện năng không phát sinh chất thải chỉ bằng cách kết hợp muối, băng và áp lực cơ học. Phát hiện này mở ra những hướng đi mới mẻ cho việc thu hoạch năng lượng tái tạo từ các môi trường đóng băng. Theo báo cáo được công bố trên tạp chí Nature Materials vào ngày 15 tháng 9, các nhà nghiên cứu đã chứng minh rằng những mảnh băng chứa muối (khoảng 25% muối theo trọng lượng), có hình dạng như chiếc nón và chỉ nhỏ hơn hạt tiêu đen một chút, có khả năng tạo ra tiềm năng điện áp khoảng 1 milivolt.

Nếu sắp xếp thành các mảng, với khoảng 2.000 hình nón như vậy, hệ thống có thể tạo ra khoảng 2 volt điện. Mức điện áp này đủ để thắp sáng một bóng đèn LED màu đỏ nhỏ. Đây là một bước tiến đáng chú ý trong việc khai thác năng lượng từ các điều kiện tự nhiên khắc nghiệt.

Cơ chế đằng sau hiện tượng này được giải thích là do hiệu ứng flexoelectricity. Đây là một hiện tượng vật lý trong đó vật liệu rắn sinh ra điện tích khi chịu tác động của sự biến dạng cơ học không đồng đều. Mặc dù băng tinh khiết cũng thể hiện tính flexoelectricity ở mức độ yếu, có thể liên quan đến các hiện tượng điện khí quyển như sét đánh, nhưng sự hiện diện của muối, một tạp chất phổ biến, lại biến băng thành một máy phát điện hiệu quả hơn nhiều.

Nhà vật lý Xin Wen và nhóm của ông đã thúc đẩy nghiên cứu này bằng cách đông lạnh nước mặn thành các hình dạng nón và thanh. Sau đó, họ sử dụng thiết bị chuyên dụng để uốn cong các khối băng chứa muối này và đo lường điện tích được tạo ra. Kết quả cho thấy các hình nón có khả năng chịu được lực tác động lớn hơn và tạo ra điện áp cao hơn. Đáng chú ý, những hình nón nhỏ hơn lại phản ứng với sự biến dạng cơ học bằng cách tạo ra sản lượng điện cảm ứng lớn hơn. Điều này mở ra triển vọng khuếch đại công suất đầu ra thông qua việc sử dụng các mảng cấu trúc băng muối nhỏ gọn.

Cơ chế cơ bản liên quan đến các lớp màng nước muối lỏng ở quy mô nano bị mắc kẹt giữa các hạt băng. Khi bị uốn cong, băng tạo ra các gradient áp suất, đẩy nước muối tích điện này từ các vùng bị nén sang các vùng bị kéo căng. Vì nước muối chứa các ion mang điện tích dương (cation), sự di chuyển của chúng tạo ra một dòng điện chảy. Hiệu ứng flexoelectricity dòng chảy này được tăng cường đáng kể nhờ tác động của muối lên cấu trúc vi mô của băng—cụ thể là làm giảm kích thước hạt băng, tăng độ dày của các kênh nước muối, và thay đổi hành vi của các phân tử nước để cải thiện các đặc tính điện môi và khả năng vận chuyển ion.

Mặc dù sản lượng điện tạo ra hiện tại vẫn còn khiêm tốn, khám phá này cho thấy băng chứa muối có thể đóng vai trò là nguồn năng lượng tái tạo trong các môi trường lạnh giá, có khả năng cung cấp năng lượng cho các cảm biến hoặc các thiết bị tiêu thụ ít điện năng. Tuy nhiên, việc mở rộng công nghệ này để cung cấp năng lượng cho các thiết bị điện tử thông thường vẫn còn là một thách thức lớn. Ví dụ, để sạc một chiếc điện thoại thông minh, có thể cần một khối băng muối có diện tích lên tới hàng chục hoặc hàng trăm mét vuông. Các nghiên cứu tiếp theo đang tập trung vào việc cải thiện hiệu suất và giảm thiểu tác động môi trường của các thiết bị thu hoạch năng lượng dựa trên băng này.

Nhìn chung, sự hiểu biết mới về tính flexoelectricity trong băng tự nhiên chứa muối không chỉ thúc đẩy các giải pháp năng lượng bền vững tiềm năng mà còn cung cấp cái nhìn sâu sắc về các hiện tượng địa vật lý. Nó cũng có thể hỗ trợ các nghiên cứu về các thế giới băng giá trong hệ mặt trời của chúng ta, chẳng hạn như Europa hay Enceladus, nơi băng chứa muối bao phủ những bề mặt rộng lớn.