Sự đơn giản đến kinh ngạc: Các nhà khoa học biến mưa rơi thành năng lượng tái tạo
Bởi Hiệp hội Hóa học Hoa Kỳ
Các nhà khoa học đã tìm ra cách khai thác điện từ những giọt nước rơi bằng một loại dòng nước mới. Kỹ thuật dòng chảy dạng phích cắm của họ, bao gồm các giọt nước và túi khí di chuyển qua một ống hẹp, tạo ra nhiều điện năng hơn đáng kể so với các phương pháp trước đây – và có thể sử dụng ngay cả khi trời mưa nhẹ. Nguồn: SciTechDaily.com
Một nhóm các nhà nghiên cứu đã khám phá ra một cách thông minh để biến những giọt nước rơi – giống như những giọt nước mưa – thành điện năng có thể sử dụng được.
Bằng cách dẫn các giọt nước qua một ống thẳng đứng hẹp để tạo ra “dòng chảy dạng phích cắm”, họ có thể tách các điện tích và thu năng lượng với hiệu quả đáng kinh ngạc. Thiết lập đơn giản này không chỉ khắc phục được sự kém hiệu quả của các phương pháp tách điện tích truyền thống mà còn tạo ra đủ điện để thắp sáng 12 đèn LED. Với các ứng dụng tiềm năng trên mái nhà và trong môi trường đô thị, hệ thống sáng tạo này có thể cung cấp một giải pháp thay thế bền vững và chi phí thấp cho thủy điện.
Khai thác tĩnh điện khi chuyển động
Khi hai vật liệu tiếp xúc, điện tích trên bề mặt của chúng có thể dịch chuyển – một ví dụ quen thuộc là tĩnh điện mà bạn nhận được khi chà một quả bóng bay lên da. Tương tự như vậy, khi nước chảy qua một số bề mặt nhất định, nó có thể tích điện hoặc mất điện. Bây giờ, các nhà nghiên cứu báo cáo ngày hôm nay (ngày 16 tháng 4) trên ACS Central Science đã khai thác hiệu ứng này để tạo ra điện bằng cách sử dụng các giọt nước giống như mưa chảy qua một ống hẹp. Hệ thống này tạo ra đủ điện để thắp sáng 12 đèn LED.
"Nước rơi qua một ống thẳng đứng tạo ra một lượng điện đáng kể bằng cách sử dụng một mô hình dòng nước cụ thể: dòng chảy dạng phích cắm", Siowling Soh, tác giả liên hệ của nghiên cứu cho biết. "Mô hình dòng chảy dạng phích cắm này có thể cho phép thu thập năng lượng mưa để tạo ra điện sạch và tái tạo".
Nước chảy qua một ống mỏng phủ polyme theo từng đợt ngắn hoặc dạng phích cắm, như minh họa trong các hình ảnh và hình ảnh này, có thể tạo ra điện. Nguồn: Chuyển thể từ ACS Central Science 2025, DOI: 10.1021/acscentsci.4c02110
Tại sao thủy điện truyền thống không đạt yêu cầu
Thủy điện thông thường hoạt động bằng cách di chuyển khối lượng nước lớn để quay tua bin. Nhưng điều này chỉ hiệu quả ở những nơi có nhiều nước, như sông. Đối với dòng nước nhỏ hơn, chậm hơn, các nhà nghiên cứu đã khám phá ra một giải pháp thay thế: tách điện tích. Quá trình này tạo ra điện khi nước chảy qua một kênh được lót bằng bề mặt dẫn điện. Tuy nhiên, nó rất kém hiệu quả vì điện tích chỉ tích tụ ở bề mặt mà nước chạm vào.
Để cải thiện hiệu quả, các nhà khoa học đã thử sử dụng các kênh vi mô và nano để tăng diện tích bề mặt. Nhưng các kênh này quá nhỏ nên nước không dễ chảy qua chúng—và việc bơm nước qua sẽ tiêu tốn nhiều năng lượng hơn so với hệ thống tạo ra. Để giải quyết vấn đề này, Soh, Chi Kit Ao và nhóm của họ đã tìm cách tạo ra điện bằng cách sử dụng các kênh lớn hơn mà nước mưa có thể tự nhiên đi qua.
Thiết kế máy phát điện Plug Flow
Nhóm nghiên cứu đã thiết kế một thiết lập đơn giản trong đó nước chảy ra từ đáy tháp qua một kim loại và phun những giọt nước có kích thước bằng mưa vào lỗ mở của một ống polyme thẳng đứng cao 12 inch (cao 32 cm) và rộng 2 mm. Sự va chạm trực diện của các giọt nước ở đầu ống đã tạo ra một dòng chảy Plug: các cột nước ngắn xen kẽ với các túi khí. Khi nước chảy xuống bên trong ống, các điện tích tách ra. Sau đó, nước được thu thập trong một cốc bên dưới ống. Các dây được đặt ở đầu ống và trong cốc sẽ thu được điện.
Một sự gia tăng đáng kể về hiệu quả
Hệ thống Plug Flow đã chuyển đổi hơn 10% năng lượng của nước rơi qua các ống thành điện. Và so với nước chảy trong một dòng liên tục, Plug Flow tạo ra lượng điện nhiều hơn gấp 5 lần. Vì tốc độ giọt nước được thử nghiệm chậm hơn nhiều so với mưa, nên các nhà nghiên cứu cho rằng hệ thống này có thể được sử dụng để thu điện từ những giọt mưa rơi.
Trong một thí nghiệm khác, các nhà nghiên cứu quan sát thấy rằng việc di chuyển nước qua hai ống, đồng thời hoặc tuần tự, tạo ra gấp đôi năng lượng. Sử dụng thông tin này, họ dẫn nước qua bốn ống và thiết lập này cung cấp năng lượng cho 12 đèn LED liên tục trong 20 giây. Các nhà nghiên cứu cho biết năng lượng dòng chảy cắm có thể dễ thiết lập và bảo trì hơn so với các nhà máy thủy điện và có thể thuận tiện cho các không gian đô thị như mái nhà.
Tài liệu tham khảo: “Dòng chảy cắm: Tạo ra điện tái tạo bằng nước từ thiên nhiên bằng cách phá vỡ giới hạn chiều dài Debye” ngày 16 tháng 4 năm 2025, ACS Central Science.
DOI: 10.1021/acscentsci.4c02110
Các tác giả xin cảm ơn nguồn tài trợ từ Bộ Giáo dục Singapore; Cơ quan Khoa học, Công nghệ và Nghiên cứu; và Viện Đổi mới & Công nghệ Y tế tại Đại học Quốc gia Singapore.
