Loại vật liệu mới dù chưa hoạt động thật sự hiệu quả, nhưng những cải tiến trong tương lai có thể thay đổi điều này.
Bầu khí quyển chứa lượng nước lớn hơn gấp 6 lần tổng lượng nước của các sông ngòi tên Trái Đất cộng lại. Mỗi giọt sương sáng sớm hoặc một giọt nước bên ngoài chai bia lạnh chính là bằng chứng cho kho dự trữ khổng lồ này. Dù vậy, có đến hơn 2 tỉ người trên Trái Đất vẫn chưa tiếp cận được nguồn nước sạch.
Một kỹ thuật với tên gọi thu thập nước từ khí quyển (Atmosphere water harvesting hay AWH) cho phép chúng ta lấy một phần nước sạch từ không khí. Nhưng có rất nhiều hạn chế ngăn không cho triển khai phương pháp AWH trên phạm vi lớn hơn.
Để tạo ra một hệ thống AWH hiệu quả và liên tục, cần phải đảm bảo hai điều kiện. Đầu tiên là sự hấp thu nước từ không khí có thể đảo ngược để nước có thể được đem ra sử dụng. Hai là hệ thống tản nhiệt hiệu quả. Khi AWH lấy nước từ không khí, quá trình ngưng tụ phát sinh ra nhiệt. Nếu không được xử lý hiệu quả, hai yếu tố trên ảnh hưởng rất lớn đến quá trình tạo nước.
Được truyền cảm hứng từ lá cây, một nhóm các nhà nghiên cứu tại Trung Quốc đã tạo ra aerogel có cấu trúc sợi từ cellulose (hay được gọi là Core-Shell@CNF) với lời hứa xóa bỏ những vấn đề được đặt ra kể trên. Loại vật liệu này không chỉ chạy bằng ánh sáng mặt trời mà còn đồng thời tạo ra điện.
Sản xuất nước sạch từ không khí bằng vật liệu mới
Core-Shell@CNF có lõi mang tính ưa nước (thu hút phân tử nước) và lớp vỏ có tính kỵ nước (có xu hướng đẩy nước ra xa). Lớp vỏ được cấu tạo từ phân tử LiCl (Lithium Cloride) vốn nổi tiếng với khả năng hấp thu nước và đóng vai trò như chất hút. Phần vỏ chứa phân tử Cacbon đen và được bọc bởi Polydimethylsiloxane, gọi tắt là PDMS.
Cấu trúc phân lớp này được lấy cảm hứng từ lá cây, theo đó đã “thể hiện cấu trúc lõi-vỏ tuyệt vời, lớp biểu bì của lá bảo vệ phần mô lá bên trong khỏi mất nước và oxy hóa, trong khí đó khí khổng cho phép cây vận chuyển các phân tử nước dưới dạng khí”.
Quá trình AWH sẽ bắt đầu với việc nước được aerogel hấp thu vào ban đêm. Khi không khí cùng với nước được bốc hơi di chuyển qua vật liệu, các lỗ lớn trên bề mặt sẽ cho phép phân tử nước tiếp cận LiCl bên trong và bị hấp thu.
Càng hấp thu nhiều nước, thành phần muối LiCl ngậm nước sẽ dần chuyển thành màng chất lỏng và cuối cùng là biến thành dung dịch muối. Trong khi đó, lớp màng kỵ nước bên ngoài sẽ ngăn không cho nước thoát ra. Sự kết hợp này giúp Core-Shell@CNF có thể tiếp tục thu nhận thêm nước.
Vào ban ngày, các phân tử cacbon đen sẽ hấp thu nhiệt từ mặt trời và nóng lên nhanh chóng. Kết quả là nhiệt độ bên ngoài aerogel sẽ nóng lên, dung dịch muối bên trong sẽ bốc hơi nước, để lại muối khan bên trong. Bởi vì tính hấp thu nhiệt nhanh chóng của Carbon mà aerogel có thể thải nước nhanh chóng. Cấu trúc xốp của Carbon cũng góp phần truyền nhiệt và phân tử nước, góp phần làm cho quá trình hiệu quả hơn.
Các nhà nghiên cứu đã thực hiện chu trình nhiều lần để kiểm tra giới hạn của vật liệu đồng thời tìm cách đạt được hiệu quả cao nhất. Nhờ đó, đã có nhiều cải tiến hơn so với thiết kế ban đầu, ví dụ như cấu trúc aerogel ít xốp và có lớp vỏ ngoài dày hơn 10 lần so với thiết kế gốc. Nhờ vào những thay đổi đó, “thậm chí dưới áp lực tác động, CB-PDMS@CNF có thể ngăn không cho nước thấm ra ngoài, cho thấy khả năng kỵ nước và áp lực cơ học cao”.
Lớp vỏ kỵ nước mạnh cũng góp phần giúp cho aerogel được sạch, ngăn các phân tử bụi hoặc ô nhiễm đi cùng với phân tử nước. Khi thử nghiệm ở môi trường bên ngoài trong 24 giờ, mỗi kg vật liệu đã thu được khoảng dưới 1g nước sạch. Trong khi các nhà khoa học đang tìm cách để tăng hiệu suất, số nước được tạo ra đã có thể uống được.
Các nhà khoa học cũng nói thêm “kết quả đo khối phổ plasma – cảm ứng (ICP-MS) đã cho thấy mẫu nước thu được hoàn toàn đáp ứng tiêu chuẩn uống được của Tổ chức Y tế Thế giới (WHO) và Cục Bảo vệ Môi sinh Hoa Kỳ (EPA)”.
Biến nhiệt năng dư thừa thành điện
Aerogel đã tạo ra được nước sạch, nhưng lượng nhiệt tạo ra trong quá trình sản xuất từ lớp vỏ Carbon đen có thể gây tổn hại đến toàn bộ Aerogel. Để giải quyết vấn đề này, các nhà khoa học đã đưa nhiệt năng tạo ra vào một mô-đun nhiệt điện.
Core-Shell@CNF được kết nối vào một bên của thiết bị nhiệt điện đồng thời cũng giữ một khoảng cách để đảm bảo cho quá trình AWH hoạt động. Khi nhiệt được sinh ra, Core-Shell@CNF tạo ra chênh lệch nhiệt độ giữa nóng và lạnh với mô-đun nhiệt điện, kết quả tạo ra điện.
Các nhà khoa học đã thử nghiệm hệ thống ngoài trời dưới các điều kiện mặt trời khác nhau, kết quả thu được tối đa 12W cho mỗi mét vuông, khoảng 10% con số thu được từ điện mặt trời truyền thống. Kết quả này thu được sau khi hệ thống đã làm việc hết công suất và ngưng hoạt động.
Kết quả này được cho là “một chiến lược khả quan khi kết hợp AWH và chuyển đổi nhiệt mặt trời trong khi vừa sản xuất nước sạch sử dụng nguồn năng lượng duy nhất là ánh sáng tự nhiên, mở ra khả năng thương mại hóa cho các thế hệ AWH tiếp theo”.
Các nhà khoa học cho rằng Core-Shell@CNF sẽ rất hữu dụng cho các nhà thám hiểm các môi trường khắc nghiệt khi họ phải liên tục tìm kiếm nước và năng lượng. Hệ thống cũng có tiềm năng cung cấp nước sạch và năng lượng đến hàng tỉ người tại các vùng đói nghèo trên Trái Đất. Tuy nhiên, thiết kế hiện tại cần phải tiếp tục được nâng cấp cải tiến để biến điều đó thành hiện thực.
Theo Ars Technica
