Các nhà khoa học đã phát hiện ra hệ thống năng lượng mặt trời hiệu quả nhất thế giới - và nó không phải do con người tạo ra
Bởi Đại học Yale ngày 31 tháng 7 năm 2024
Các nhà nghiên cứu từ Yale đã xác định được loài trai khổng lồ, với cấu trúc quang hợp độc đáo và khả năng tán xạ ánh sáng, là một mô hình tiềm năng để cải thiện hiệu quả của tấm pin mặt trời. Những loài trai này, phát triển mạnh dưới ánh sáng mặt trời gay gắt của các rạn san hô nhiệt đới, có hiệu suất lượng tử vượt xa các công nghệ năng lượng mặt trời hiện tại. Nghiên cứu này nhấn mạnh tầm quan trọng của đa dạng sinh học trong việc truyền cảm hứng cho công nghệ bền vững và cho rằng các tấm pin mặt trời trong tương lai có thể kết hợp các cơ chế sinh học tương tự. Nguồn: SciTechDaily.com
Một nghiên cứu gần đây của nhà nghiên cứu Alison Sweeney tại Yale cho thấy rằng trai khổng lồ ở Tây Thái Bình Dương có thể là hệ thống năng lượng mặt trời hiệu quả nhất thế giới.
Theo một nghiên cứu mới do Yale dẫn đầu, các nhà thiết kế tấm pin mặt trời và nhà máy lọc sinh học có thể thu được những hiểu biết có giá trị từ những con trai khổng lồ óng ánh được tìm thấy gần các rạn san hô nhiệt đới.
Nguyên nhân là do trai khổng lồ có hình học chính xác — các cột thụ thể quang hợp thẳng đứng, năng động được bao phủ bởi một lớp mỏng tán xạ ánh sáng — có thể khiến chúng trở thành hệ thống năng lượng mặt trời hiệu quả nhất trên Trái đất.
"Điều này trái ngược với trực giác của nhiều người, vì trai hoạt động dưới ánh sáng mặt trời gay gắt, nhưng thực tế bên trong chúng thực sự tối tăm", Alison Sweeney, phó giáo sư vật lý, sinh thái học và sinh học tiến hóa tại Khoa Nghệ thuật và Khoa học của Yale cho biết. "Sự thật là trai chuyển đổi năng lượng mặt trời hiệu quả hơn bất kỳ công nghệ tấm pin mặt trời nào hiện có".
Trong nghiên cứu mới được công bố trên tạp chí PRX: Energy, một nhóm nghiên cứu do Sweeney đứng đầu đã trình bày một mô hình phân tích để xác định hiệu quả tối đa của các hệ thống quang hợp dựa trên đặc điểm hình học, chuyển động và tán xạ ánh sáng của trai khổng lồ. Đây là nghiên cứu mới nhất trong một loạt các nghiên cứu từ phòng thí nghiệm của Sweeney nhằm làm nổi bật các cơ chế sinh học từ thế giới tự nhiên có thể truyền cảm hứng cho các vật liệu và thiết kế bền vững mới.
Tiềm năng năng lượng mặt trời của trai khổng lồ
Trong trường hợp này, các nhà nghiên cứu đã xem xét cụ thể tiềm năng năng lượng mặt trời ấn tượng của trai khổng lồ óng ánh ở vùng nước nông của Palau ở Tây Thái Bình Dương.
Trai là loài quang hợp, với các hình trụ thẳng đứng của tảo đơn bào mọc trên bề mặt của chúng. Tảo hấp thụ ánh sáng mặt trời — sau khi ánh sáng bị phân tán bởi một lớp tế bào gọi là iridocyte.
Các nhà nghiên cứu cho biết cả hình dạng của tảo và sự phân tán ánh sáng của iridocyte đều quan trọng. Sự sắp xếp của tảo theo các cột thẳng đứng — khiến chúng song song với ánh sáng chiếu tới — cho phép tảo hấp thụ ánh sáng mặt trời ở tốc độ hiệu quả nhất. Điều này là do ánh sáng mặt trời đã được lọc và phân tán bởi lớp iridocyte, và sau đó ánh sáng bao phủ đồng đều xung quanh mỗi hình trụ tảo thẳng đứng.
Nguồn: Đại học Yale Văn phòng Công vụ và Truyền thông của Đại học Yale
Hành vi thích nghi nâng cao hiệu quả
Dựa trên hình dạng của trai khổng lồ, Sweeney và các đồng nghiệp của cô đã phát triển một mô hình để tính hiệu suất lượng tử — khả năng chuyển đổi photon thành electron. Các nhà nghiên cứu cũng đưa vào các biến động của ánh sáng mặt trời, dựa trên một ngày điển hình ở vùng nhiệt đới với bình minh, cường độ ánh sáng mặt trời giữa trưa và hoàng hôn. Hiệu suất lượng tử là 42%.
Nhưng sau đó, các nhà nghiên cứu đã thêm một nếp nhăn mới: cách trai khổng lồ tự kéo dài bản thân để phản ứng với những thay đổi của ánh sáng mặt trời. "Ngao thích di chuyển và tạo rãnh trong suốt cả ngày", Sweeney cho biết. "Sự kéo dài này làm các cột dọc xa nhau hơn, khiến chúng ngắn hơn và rộng hơn".
Với thông tin mới này, hiệu suất lượng tử của mô hình trai đã tăng lên 67%. Để so sánh, Sweeney cho biết, hiệu suất lượng tử của hệ thống lá xanh trong môi trường nhiệt đới chỉ khoảng 14%.
Một phép so sánh thú vị, theo nghiên cứu, sẽ là rừng vân sam phía bắc. Các nhà nghiên cứu cho biết rừng vân sam phương bắc, được bao quanh bởi các lớp sương mù và mây dao động, có hình dạng và cơ chế tán xạ ánh sáng tương tự như trai khổng lồ, nhưng ở quy mô lớn hơn nhiều. Và hiệu suất lượng tử của chúng gần như giống hệt nhau.
"Một bài học rút ra từ điều này là tầm quan trọng của việc xem xét đa dạng sinh học, nói một cách tổng thể", Sweeney cho biết. “Các đồng nghiệp của tôi và tôi tiếp tục động não về nơi nào khác trên Trái đất có thể đạt được mức hiệu quả năng lượng mặt trời này. Điều quan trọng nữa là phải nhận ra rằng chúng ta chỉ có thể nghiên cứu đa dạng sinh học ở những nơi duy trì được đa dạng sinh học”.
Bà nói thêm: “Chúng ta nợ người Palau một món nợ lớn, những người coi trọng giá trị văn hóa quan trọng đối với trai và rạn san hô của họ và nỗ lực giữ gìn chúng trong tình trạng khỏe mạnh nguyên sơ”.
Những ví dụ như vậy có thể truyền cảm hứng và hiểu biết sâu sắc về công nghệ năng lượng bền vững hiệu quả hơn.
“Người ta có thể hình dung ra một thế hệ tấm pin mặt trời mới có thể nuôi tảo, hoặc tấm pin mặt trời bằng nhựa giá rẻ được làm từ vật liệu co giãn”, Sweeney cho biết.
Tài liệu tham khảo: “Cơ chế đơn giản để đạt hiệu quả sử dụng ánh sáng tối ưu của quá trình quang hợp
được truyền cảm hứng từ loài trai khổng lồ” của Amanda L. Holt, Lincoln F. Rehm và Alison M. Sweeney, ngày 28 tháng 6 năm 2024, PRX Energy.
DOI: 10.1103/PRXEnergy.3.023014
Tác giả đầu tiên của nghiên cứu này là Amanda Holt, một nhà khoa học nghiên cứu cộng tác tại phòng thí nghiệm của Sweeney. Đồng tác giả của nghiên cứu này là Lincoln Rehm, một người Mỹ gốc Palau và là cựu sinh viên sau đại học tại Đại học Drexel và là nhà nghiên cứu tại Trung tâm Rạn san hô quốc tế Palau, hiện đang làm việc tại Cơ quan Quản lý Khí quyển và Hải dương học Quốc gia.
Nghiên cứu này được tài trợ bởi học bổng của Quỹ Packard và Quỹ Khoa học Quốc gia.
Mời các đối tác xem hoạt động của Công ty TNHH Pacific Group.
FanPage: https://www.facebook.com/Pacific-Group
YouTube: https://www.youtube.com/@PacificGroupCoLt
