Các nhà khoa học phát triển thiết bị năng lượng mặt trời mới có thể ép nước từ không khí
Bởi Will Wright, Đại học RMIT
Với chín khối bọt biển, mỗi khối nặng 0,8 gam, 15 mililít nước có thể được hấp thụ từ khí quyển. Nguồn: Shu Shu Zheng, Đại học RMIT
Một vật liệu giống bọt biển mới sử dụng ánh sáng mặt trời để thu thập nước từ không khí, cung cấp một giải pháp hiệu quả, chi phí thấp cho tình trạng thiếu nước.
Các kỹ sư từ Úc và Trung Quốc đã phát triển một thiết bị giống bọt biển có thể thu thập độ ẩm từ không khí và giải phóng vào cốc bằng năng lượng mặt trời. Không giống như các công nghệ khác như thu thập sương mù và làm mát bằng bức xạ, thiết bị này vẫn hiệu quả ngay cả trong điều kiện độ ẩm thấp.
Hệ thống thu thập nước hoạt động đáng tin cậy trong nhiều mức độ ẩm khác nhau, từ 30 đến 90 phần trăm và nhiệt độ từ 5 đến 55 độ C.
Theo nhà nghiên cứu cao cấp Tiến sĩ Derek Hao từ Đại học RMIT ở Melbourne, thiết bị này sử dụng cấu trúc xốp tự nhiên của gỗ balsa tinh chế, đã được biến đổi để hấp thụ độ ẩm trong khí quyển và giải phóng khi cần thiết.
Vật liệu composite gốc gỗ của nhóm nghiên cứu vừa khít bên trong một chiếc cốc, bao gồm nắp vòm, khay chống ô nhiễm, hệ thống làm mát và cơ chế kích hoạt chạy bằng năng lượng mặt trời.
"Hàng tỷ người trên thế giới không có nước uống và hàng triệu người tử vong vì các bệnh lây truyền qua đường nước mỗi năm", Hao, nhà khoa học vật liệu và kỹ sư môi trường tại Khoa Khoa học của RMIT, cho biết.
Tiến sĩ Derek Hao, từ Đại học RMIT, đang cầm vật liệu composite gốc gỗ xốp của nhóm nghiên cứu có thể hấp thụ nước từ khí quyển. Nguồn: Shu Shu Zheng, Đại học RMIT
Hao là tác giả liên hệ của nghiên cứu này, được thực hiện với sự hợp tác của năm viện nghiên cứu Trung Quốc, do Tiến sĩ Junfeng Hou từ Đại học Nông nghiệp Chiết Giang đứng đầu.
“Nhóm của chúng tôi đã phát minh ra một thiết bị bao gồm khung gỗ xốp, liti clorua, các hạt nano oxit sắt, một lớp ống nano cacbon và các tính năng chuyên dụng khác”, Hao cho biết.
Nhóm đã sử dụng trí tuệ nhân tạo để dự đoán chính xác và tối ưu hóa hiệu suất thu thập và xả nước của thiết bị trong các điều kiện môi trường khác nhau.
Khoảnh khắc quan trọng
Vật liệu xốp, là nguyên mẫu phòng thí nghiệm giai đoạn đầu, hấp thụ độ ẩm từ khí quyển khi nắp cốc mở. Khi đóng nắp dưới ánh sáng mặt trời, nước sẽ được giải phóng vào cốc.
Trong điều kiện phòng thí nghiệm, thiết bị nước từ không khí hấp thụ khoảng 2 mililít nước trên một gam vật liệu ở độ ẩm tương đối 90% và giải phóng gần như toàn bộ nước trong vòng 10 giờ dưới ánh nắng mặt trời - cao hơn hầu hết các phương pháp đã biết khác và ít tốn kém hơn. Với chín khối bọt biển, mỗi khối nặng 0,8 gam, có thể hấp thụ và giải phóng 15 mililít nước vào cốc.
Phát minh với vật liệu giống như bọt biển, do các nhà nghiên cứu tại Úc và Trung Quốc phát triển, hấp thụ nước từ khí quyển và sau đó giải phóng nước vào cốc bằng năng lượng mặt trời. Nguồn: Shu Shu Zheng, Đại học RMIT
“Trong các thử nghiệm ngoài trời, thiết bị của chúng tôi đã thu được 2,5 mililít nước trên một gam qua đêm và giải phóng phần lớn lượng nước đó vào ban ngày, đạt hiệu suất thu thập nước hàng ngày là 94%”, Hou cho biết.
“Ở độ ẩm 30%, thiết bị của chúng tôi hấp thụ nước ở mức khoảng 0,6 mililít trên một gam. Những kết quả này làm nổi bật tiềm năng sử dụng của nó trong các hệ thống thu thập nước chạy bằng năng lượng mặt trời, không kết nối lưới điện”.
Lợi ích của thiết kế lấy cảm hứng từ thiên nhiên
Hao cho biết việc sử dụng gỗ tự nhiên làm ma trận không chỉ giúp giảm chi phí mà còn mang lại tính toàn vẹn về mặt cấu trúc và tăng cường khả năng vận chuyển nước thông qua cấu trúc xốp của nó.
“Những đặc điểm này cho phép sản xuất vật liệu với số lượng lớn và triển khai trong các ứng dụng thực tế như thu thập nước ở các vùng xa xôi hoặc khô cằn”, ông cho biết.
“Thiết bị vẫn giữ được tính linh hoạt và chức năng hấp thụ nước ngay cả sau khi được bảo quản ở nhiệt độ -20 độ C trong 20 ngày, chứng tỏ khả năng chống đóng băng tuyệt vời. Hiệu suất hấp thụ-giải phóng độ ẩm của thiết bị ổn định trong 10 chu kỳ liên tiếp, với mức giảm hiệu suất dưới 12%”.
Các ứng dụng tiềm năng và khả năng mở rộng quy mô
Hao cho biết thiết bị này sẽ phù hợp với các tình huống khẩn cấp, chẳng hạn như sau thảm họa thiên nhiên khi nguồn cung cấp nước bị ảnh hưởng, nếu nhóm có thể mở rộng quy mô và tối ưu hóa cải tiến mô-đun.
Hao cho biết “Kích thước đơn vị trình diễn hiện tại là 15 mm khối. Sẽ rất dễ để chuẩn bị một đơn vị lớn hơn hoặc chúng tôi có thể sử dụng các đơn vị để tạo thành một mảng”, Hao cho biết.
“Khả năng thu thập nước uống từ khí quyển chỉ bằng ánh sáng mặt trời khiến thiết bị này trở nên vô cùng hữu ích ở những khu vực bị thiên tai, nơi các nguồn nước truyền thống bị ảnh hưởng. Tính di động và sự phụ thuộc vào năng lượng tái tạo của hệ thống càng làm tăng thêm khả năng ứng dụng của thiết bị trong những bối cảnh như vậy”.
Hao cho biết vật liệu này được thiết kế với tính đến khả năng mở rộng quy mô và giá cả phải chăng.
“Thành phần chính, gỗ balsa, có sẵn rộng rãi, có thể phân hủy sinh học và giá rẻ, và quy trình sản xuất không phức tạp, có thể sản xuất hàng loạt. Hiệu suất ổn định đã được chứng minh qua
nhiều chu kỳ và trong nhiều điều kiện môi trường khác nhau cho thấy tuổi thọ và hiệu quả về mặt chi phí.”
Một cặp nhíp ép nước từ vật liệu xốp do nhóm phát triển. Nguồn: Xingying Zhang
Hao cho biết nhóm đang thảo luận với các đối tác tiềm năng trong ngành về sản xuất quy mô thí điểm và triển khai thực địa, tích hợp vào các hệ thống thu hoạch nước từ không khí dạng mô-đun.
"Các tấm pin mặt trời kết hợp với lưu trữ năng lượng nhiệt có thể cho phép hoạt động suốt ngày đêm, đặc biệt là ở những khu vực có ánh sáng mặt trời không liên tục", ông cho biết.
Phát triển các hệ thống điều khiển tự động sử dụng cảm biến Internet vạn vật để theo dõi độ ẩm tương đối, nhiệt độ và cường độ ánh sáng mặt trời có thể tối ưu hóa hơn nữa các chu trình thu hoạch nước, Hao cho biết.
"Dựa trên thiết kế thông minh nhân tạo được sử dụng trong nghiên cứu, các nền tảng thiết kế tiên tiến hơn có thể được phát triển để sàng lọc các kết hợp vật liệu mới và dự đoán hiệu suất hấp thụ và giải phóng nước trong thời gian dài", ông cho biết.
Tài liệu tham khảo: "Phát triển và mô tả đặc điểm của vật liệu composite gốc gỗ mới để thu hoạch nước trong khí quyển bằng năng lượng mặt trời: Một phương pháp tiếp cận được hỗ trợ bởi trí thông minh của máy móc" của Xingying Zhang, Yangyang Xu, Shenjie Han, Xiang Weng, Wenbo Che, Kongjie Gu, Ying Guan, Youming Yu, Derek Hao và Junfeng Hou, ngày 28 tháng 2 2025, Tạp chí Sản xuất sạch hơn.
DOI: 10.1016/j.jclepro.2025.145061
