Các nhà khoa học phát triển thiết bị nổi thu năng lượng từ giọt mưa
Theo Science China Press, ngày 2 tháng 11 năm 2025
Các nhà nghiên cứu đã phát triển một máy phát điện nổi thu điện từ giọt mưa bằng cách sử dụng chính nước làm thành phần cấu trúc và điện. (Ý tưởng của họa sĩ). Nguồn: SciTechDaily.com
Một máy phát điện giọt nước tích hợp nước mới tạo ra công suất điện cao khi nổi trên mặt nước.
Giọt mưa không chỉ là nguồn nước ngọt mà còn mang theo năng lượng chưa sử dụng rơi tự nhiên từ trên trời xuống. Các nhà khoa học từ lâu đã tìm cách chuyển đổi lượng nước rơi này thành điện, nhưng các máy phát điện giọt nước truyền thống đang gặp phải những vấn đề như hiệu suất thấp, kết cấu nặng nề và khả năng mở rộng quy mô hạn chế.
Các nhà nghiên cứu tại Đại học Hàng không và Vũ trụ Nam Kinh hiện đã phát triển một giải pháp mới: máy phát điện giọt nước nổi sử dụng nước tự nhiên làm thành phần thiết yếu trong cấu trúc của nó. Thiết kế này mở ra một con đường hướng tới sản xuất năng lượng tái tạo nhẹ, giá cả phải chăng và thân thiện với môi trường. Những phát hiện của nhóm nghiên cứu được đăng trên Tạp chí Khoa học Quốc gia.
Trong hầu hết các máy phát điện giọt nước thông thường, điện được tạo ra khi những giọt mưa va chạm với một lớp màng điện môi đặt trên một đế cứng với điện cực kim loại bên dưới. Mặc dù các hệ thống này có thể tạo ra điện áp lên đến hàng trăm vôn, nhưng việc phụ thuộc vào vật liệu rắn và thường đắt tiền khiến chúng trở nên nặng nề và tốn kém khi chế tạo. Thiết kế mới có một cách tiếp cận khác bằng cách nổi trực tiếp trên mặt nước. Trong thiết kế này, nước đóng vai trò vừa là đế đỡ vừa là điện cực dẫn điện. Sự kết hợp với thiên nhiên này giúp giảm tổng trọng lượng vật liệu khoảng 80% và chi phí khoảng 50% so với các mẫu cũ, trong khi vẫn duy trì công suất điện tương tự.
Khoa học đằng sau hiện tượng bắn nước
Khi những giọt mưa rơi xuống bề mặt điện môi nổi, các đặc tính tự nhiên của nước - tính không nén được và sức căng bề mặt mạnh - tạo ra sự ổn định cơ học cần thiết để hấp thụ từng tác động và cho phép các giọt nước lan tỏa hiệu quả. Trong khi đó, các ion trong nước đóng vai trò là chất mang điện tích, cho phép nước hoạt động như một điện cực đáng tin cậy. Kết hợp với nhau, các tính năng này cho phép máy phát điện nổi tạo ra điện áp cực đại khoảng 250 vôn trên mỗi giọt, tương đương với hiệu suất của các thiết kế truyền thống vốn phụ thuộc vào điện cực kim loại và kết cấu cứng.
Máy phát điện giọt nước thông thường (C-DEG) sử dụng điện cực đáy kim loại và đế cứng, thường được sử dụng trên đất liền. Ngược lại, máy phát điện giọt nước tích hợp nước mới (W-DEG) sử dụng nước làm điện cực đáy và đế để cho phép các ứng dụng không cần đất liền và thúc đẩy khả năng mở rộng. Nguồn: Science China Press
Độ bền là một điểm mạnh khác của thiết kế. Các thử nghiệm cho thấy W-DEG duy trì hiệu suất trong nhiều điều kiện khác nhau, bao gồm nhiệt độ thay đổi, nồng độ muối và thậm chí cả khi tiếp xúc với nước hồ ngoài trời có sinh vật bám bẩn. Không giống như nhiều thiết bị năng lượng bị xuống cấp trong môi trường khắc nghiệt, máy phát điện nổi tiếp tục hoạt động ổn định nhờ tính trơ hóa học của lớp điện môi và khả năng phục hồi của kết cấu gốc nước. Để tăng cường hơn nữa tính ổn định, nhóm nghiên cứu đã khai thác sức căng bề mặt cao của nước để thiết kế các lỗ thoát nước cho phép nước chảy xuống dưới nhưng không chảy lên trên, tạo ra một hệ thống tự điều chỉnh để loại bỏ các giọt nước thừa. Cải tiến này đảm bảo thiết bị tránh được tình trạng tích tụ nước, nếu không sẽ làm giảm sản lượng.
Mở rộng quy mô và cung cấp năng lượng cho tương lai
Khả năng mở rộng quy mô là một khía cạnh đầy hứa hẹn của máy phát điện giọt nước nổi. Các nhà nghiên cứu đã trình diễn một thiết bị tích hợp 0,3 mét vuông - lớn hơn đáng kể so với các máy phát điện giọt nước được báo cáo trước đây - có thể cung cấp năng lượng cho 50 điốt phát quang (LED) cùng lúc. Hệ thống tích hợp này cũng sạc tụ điện đến điện áp hữu ích trong vòng vài phút, cho thấy tiềm năng cung cấp năng lượng cho các thiết bị điện tử nhỏ và cảm biến không dây. Với sự phát triển hơn nữa, các hệ thống như vậy có thể được triển khai trên khắp các hồ, hồ chứa hoặc vùng ven biển, nơi chúng có thể thu thập điện năng tái tạo mà không chiếm dụng các nguồn tài nguyên đất quý giá.
Giáo sư Wanlin Guo, tác giả liên hệ của nghiên cứu, cho biết: "Bằng cách để bản thân nước đóng cả vai trò về cấu trúc và điện, chúng tôi đã mở ra một chiến lược mới cho việc tạo ra điện giọt nước, nhẹ, tiết kiệm chi phí và có khả năng mở rộng quy mô". “Điều này mở ra cánh cửa cho các hệ thống thủy điện không cần đất liền, có thể bổ sung cho các công nghệ tái tạo khác như năng lượng mặt trời và gió.”
Ý nghĩa của công trình này không chỉ giới hạn ở việc thu thập nước mưa. Do thiết bị nổi tự nhiên trên mặt nước, nó có thể được triển khai trong nhiều môi trường nước khác nhau để cung cấp năng lượng cho các hệ thống giám sát môi trường, chẳng hạn như các cảm biến theo dõi chất lượng nước, độ mặn hoặc ô nhiễm. Ở những vùng có lượng mưa thường xuyên, nó có thể cung cấp giải pháp năng lượng phân tán, bổ sung cho lưới điện địa phương hoặc cung cấp năng lượng cho các ứng dụng ngoài lưới điện. Hơn nữa, khái niệm “thiết kế tích hợp thiên nhiên” - sử dụng các vật liệu tự nhiên dồi dào như nước làm thành phần chức năng - có thể truyền cảm hứng cho những cách tiếp cận mới trong công nghệ xanh.
Các nhà nghiên cứu lưu ý rằng mặc dù kết quả trong phòng thí nghiệm rất hứa hẹn, nhưng vẫn còn nhiều thách thức trước khi triển khai trên quy mô lớn. Kích thước và vận tốc của các giọt mưa thực tế có thể thay đổi, điều này có thể ảnh hưởng đến hiệu suất, và việc đảm bảo tính toàn vẹn của các màng điện môi lớn trong điều kiện ngoài trời năng động sẽ đòi hỏi phải có thêm kỹ thuật. Tuy nhiên, việc trình diễn một nguyên mẫu bền bỉ, hiệu quả và có thể mở rộng đánh dấu một bước tiến quan trọng hướng tới các ứng dụng thực tế.
Tài liệu tham khảo: “Máy phát điện giọt nước nổi trên mặt nước” của Wei Deng, Zihao Wang, Jingmin Wang, Tao Hu, Xiao Wang, Xuemei Li, Jun Yin và Wanlin Guo, ngày 4 tháng 8 năm 2025, National Science Review.
DOI: 10.1093/nsr/nwaf318
