Phòng thí nghiệm Khoa học nano và Công nghệ năng lượng (LNET) tại Trường Kỹ thuật Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne ở Thụy Sĩ gần đây đã phát triển một thiết bị phát điện nano thử nghiệm có thể liên tục tạo ra dòng điện ổn định bằng cách tận dụng quá trình bay hơi của nước biển. Thiết bị này sử dụng chất bán dẫn silicon làm lõi và đạt được khả năng tạo điện tự động bằng cách điều chỉnh chuyển động của các ion và electron, đồng thời thúc đẩy sự bay hơi của nước biển với sự trợ giúp của ánh sáng và nhiệt. Các nhà nghiên cứu cho biết cơ chế này dự kiến sẽ mở ra những hướng đi mới cho công nghệ khai thác năng lượng thân thiện với môi trường. Các kết quả liên quan đã được công bố trên tạp chí Nature Communications.
Trưởng nhóm nghiên cứu Giulia Tagliabue và nhà nghiên cứu Tarique Anwar đã đề xuất một "khung vật lý và thử nghiệm thống nhất" cho hệ thống thủy điện điều khiển bằng sự bay hơi trong bài báo. Mấu chốt nằm ở việc tách biệt và kiểm soát chính xác quá trình giao diện. Quá trình giao diện ở đây đề cập đến sự tương tác giữa các trạng thái pha khác nhau như rắn, lỏng, khí lỏng, v.v. Nhóm nghiên cứu hy vọng có thể sử dụng khuôn khổ này để chuyển đổi quá trình bay hơi thành năng lượng điện phát ra hiệu quả hơn với sự tham gia của ánh sáng mặt trời và năng lượng nhiệt.
Công nghệ này được xây dựng dựa trên nghiên cứu trước đây của LNET về “hiệu ứng thủy điện”. Cái gọi là hiệu ứng thủy điện có nghĩa là khi chất lỏng chảy qua bề mặt của thiết bị nano tích điện, nó có thể tạo ra năng lượng điện. Thiết bị mới tiếp tục sử dụng những khoảng trống nhỏ giữa các cột nano silicon được sắp xếp theo hình lục giác để thúc đẩy quá trình bay hơi chất lỏng và hướng dẫn chuyển động của các ion trong nước biển trong quá trình này. Các nhà nghiên cứu chỉ ra rằng nhiệt và ánh sáng sẽ luôn ảnh hưởng đến hiệu suất của các thiết bị thủy điện và bước đột phá của họ lần này là biến những tác động ban đầu không thể tránh khỏi này thành lợi thế về hiệu suất, lần đầu tiên sử dụng nước biển vô tận và tương đối thân thiện với môi trường làm môi trường năng lượng.
Một bước đột phá quan trọng về mặt khái niệm trong nghiên cứu là nhóm nghiên cứu nhận thấy rằng việc tăng cường sản xuất điện không chỉ là kết quả của sự bay hơi. Do thiết bị sử dụng vật liệu bán dẫn silicon nên nhiệt làm tăng điện tích âm trên bề mặt bán dẫn, trong khi ánh sáng mặt trời kích thích hoạt động điện tử bên trong nó. Nói cách khác, sự bay hơi, hiệu ứng nhiệt và hiệu ứng ánh sáng không độc lập với nhau mà tạo thành tác dụng hiệp đồng trong thiết bị để cùng nhau thúc đẩy nâng cao hiệu suất phát điện.
Theo nhóm nghiên cứu, mức tăng do hiệu ứng tích điện bề mặt này mang lại là khá đáng kể. Bằng cách đưa ánh sáng mặt trời và nhiệt vào, năng lượng đầu ra của thiết bị có thể tăng lên gấp 5 lần. Tagliabue cho biết hiệu ứng tự nhiên này luôn tồn tại nhưng họ là những nhà nghiên cứu đầu tiên thực sự khai thác nó.
Từ quan điểm thiết kế cấu trúc, thiết bị phát điện bay hơi này sử dụng kiến trúc ba lớp, tương ứng với ba quá trình bay hơi, truyền ion và thu điện tích độc lập. Trên cùng là lớp bề mặt bay hơi, lớp giữa chịu trách nhiệm dẫn ion và phía dưới là mảng trụ nano silicon điện môi. Thiết kế phân lớp như vậy không chỉ giúp các nhà nghiên cứu phân tích và hiệu chỉnh dần dần quy trình và kết quả của từng giai đoạn mà còn cải thiện hơn nữa hiệu suất phát điện tổng thể của thiết bị và tiết lộ rõ ràng hơn cách nhiệt và ánh sáng tạo ra điện tích và thúc đẩy sự di chuyển ion.
Ngoài khả năng phát điện, công nghệ này còn mang lại những ưu điểm rõ ràng về độ bền. Các nhà nghiên cứu chỉ ra rằng nhiệt và ánh sáng có thể khiến cơ chế thủy điện suy giảm và các vấn đề ăn mòn trong môi trường muối cao có thể làm trầm trọng thêm quá trình này. Tuy nhiên, bề mặt của các cột nano silicon trong thiết bị được phủ một lớp oxit vẫn ổn định dưới ánh sáng và nhiệt, nhờ đó tránh được các phản ứng hóa học không cần thiết và cải thiện độ tin cậy của thiết bị trong môi trường nước biển.
Nhóm nghiên cứu cho biết, nếu các lần lặp tiếp theo diễn ra suôn sẻ, loại thiết bị thủy điện này dự kiến sẽ cung cấp hỗ trợ năng lượng liên tục, nhanh chóng cho nhiều mạng cảm biến nhỏ, không dùng pin trong tương lai, miễn là có sẵn ánh sáng mặt trời, nhiệt và nước để hoạt động. Các kịch bản ứng dụng tiềm năng bao gồm hệ thống giám sát môi trường, thiết bị Internet of Things và các công nghệ thiết bị đeo hiện tại và tương lai. Các nhà nghiên cứu tin rằng nếu một phương pháp lấy điện di động và gần như “miễn phí” được đưa vào sử dụng thực tế thì giá trị xã hội mà nó mang lại sẽ là vô cùng lớn.