Vật liệu thông minh mở ra hướng đi mới cho ngành năng lượng toàn cầu

 

(Dân trí) - Các nhà khoa học cho rằng để giải quyết bài toán năng lượng bền vững, nhân loại cần đẩy mạnh phát triển các dạng vật liệu mới.

Polymer, hay nhựa Polymer, là cái tên không còn xa lạ với chúng ta. Kể từ khi được nhà hóa học Hendrick Baekeland lần đầu tiên chế tạo vào năm 1907, vật liệu từ polymer đã bùng nổ, khi có mặt ở khắp nơi. Chúng cũng đóng một vai trò quan trọng trong ngành năng lượng, khi được sử dụng nhiều trong pin mặt trời hữu cơ.

Tuy nhiên dần theo thời gian, vật liệu polymer đã cho thấy những hạn chế, đặc biệt là về mặt tái chế và tính bền vững.

Polymer là "con dao hai lưỡi"

Theo các nghiên cứu khoa học, hiện có 6,3 tỉ tấn rác thải polymer trên toàn cầu. Khối lượng này tương đương với 1 tỷ con voi châu Phi, và lớn hơn tổng khối lượng của bất kỳ loài động vật nào. Trong đó, chỉ có xấp xỉ 9% rác thải nhựa có thể tái chế để tái sử dụng.

GS Seth Marder, Giám đốc Viện Năng lượng tái tạo bền vững tại Đại học Colorado (Mỹ) cho biết, polymer là nguồn ô nhiễm đáng lo ngại, ảnh hưởng tới sức khỏe không chỉ của con người, mà toàn bộ hệ sinh thái trên Trái Đất. 

Trong đó, tình trạng đáng báo động được ghi nhận ở các đại dương cho thấy cần có phương án, chiến lược sử dụng vật liệu polymer một cách hiệu quả.

GS Seth Marder chỉ ra thực trạng đáng báo động của rác thải nhựa (polymer) trên toàn cầu (Ảnh: VinFuture).

Thách thức của vật liệu polymer còn đến từ tính bền vững, khi chúng đa phần được chế tạo từ nguyên liệu hóa thạch. Mà các nguồn tài nguyên trên Trái Đất là hữu hạn.

Theo GS Marder, nếu chúng ta sử dụng vật liệu hóa thạch với quy mô hiện tại, nguồn tài nguyên này sẽ sớm rơi vào tình trạng cạn kiện. Tuy nhiên, cũng không thể loại bỏ hoàn toàn vật liệu polymer vì những đặc tính vượt trội của chúng.

Vị chuyên gia này cho biết, các nhà hoạch định đang hướng dần tới mô hình 3R, gồm Reduce (giảm khối lượng tiêu dùng), Reuse (tái sử dụng), và Recycle (tái chế) đối với vật liệu polymer. Tuy nhiên, điều này là chưa đủ, và cũng chưa phải phương án phát triển bền vững.

Đồng ý với quan điểm này, GS Martin Andrew Green, Giám đốc sáng lập Trung tâm Quang điện Tiên tiến tại Đại học New South Wales (Úc), Thành viên Hội đồng Giải thưởng & Chủ nhân Giải thưởng Chính VinFuture 2023, cho rằng để giải quyết bài toán này, nhân loại cần phát triển các dạng vật liệu mới sử dụng cho công nghệ năng lượng tái tạo. 

Điều này mang đến 2 ưu điểm, đó là giảm thiểu sự phụ thuộc vào nhiên liệu hóa thạch, đồng thời góp phần đưa chúng ta tới một tương lai với nguồn năng lượng sạch, giảm thiểu ô nhiễm môi trường.

"Cuộc cách mạng năng lượng 3.0 là cuộc cách mạng năng lượng mặt trời, với những vật liệu mới có khả năng chuyển đổi năng lượng mặt trời thành điện năng với hiệu suất cao và chi phí thấp chưa từng có", GS Green khẳng định.

Polymer sẽ sớm bị thay thế bởi các vật liệu thông minh

GS Martin Andrew Green chia sẻ về những hướng đi mới trong công nghệ chế tạo pin mặt trời (Ảnh: VinFuture).

GS Martin Andrew Green cho biết, những nghiên cứu về vật liệu mới, hay vật liệu thông minh, đang mở ra những hướng đi đầy hứa hẹn cho pin mặt trời thế hệ mới. Những vật liệu này có tiềm năng vượt trội so với silicon truyền thống (một dạng polymer tổng hợp trơ) về nhiều mặt. 

Lợi thế của vật liệu này là khả năng hấp thụ ánh sáng tốt hơn, cho phép sản xuất pin mặt trời có hiệu suất chuyển đổi cao hơn. Tại đó, hiệu suất cao hơn sẽ giúp giảm chi phí từ sản xuất đến vận chuyển, lắp đặt và cuối cùng là tái chế và xử lý.

"Trong khi tính bền vững đang trở thành ưu tiên hàng đầu, thì hiệu suất chính là động lực thúc đẩy tiến bộ công nghệ", GS Green cho biết. Ông cũng khẳng định, các dạng vật liệu mới sẽ sớm thay thế toàn bộ sự phụ thuộc vào silicon.

Tuy nhiên, việc tăng cường hiệu suất có thể kéo theo gia tăng tiêu thụ. Đây là cảnh báo từ GS Richard Henry Friend, Đại học Cambridge (Anh), Chủ tịch Hội đồng Giải thưởng VinFuture.

Ông nhấn mạnh: "Chúng ta cần phải đánh giá toàn diện vòng đời của vật liệu và thiết kế các hệ thống năng lượng hiệu quả nhất có thể. Đặt hiệu suất lên hàng đầu có thể giúp ta đạt được bước tiến đáng kể hướng tới tương lai bền vững, song cũng cần kiểm soát gia tăng tiêu thụ."

GS Marina Freitag, chuyên gia về năng lượng tới từ Đại học Newcastle, Anh, thì cho rằng, vật liệu bền vững không chỉ đơn thuần là vật liệu có thể tái chế hay phân hủy sinh học. Bà nhấn mạnh việc phải vượt ra khỏi những định nghĩa truyền thống và tiếp cận vấn đề một cách toàn diện hơn.

Vấn đề về xử lý chất thải nguy hại từ các tấm pin mặt trời thế hệ cũ tạo động lực để các nhà khoa học tìm ra loại vật liệu mới (Ảnh: SCMP).

"Vật liệu bền vững cần được thiết kế với tư duy "bền vững là trên hết", đảm bảo hiệu quả cao trong suốt vòng đời, thân thiện với môi trường và có khả năng thích ứng với nhiều điều kiện sử dụng khác nhau", bà cho biết.

GS Marina Freitag cũng cho biết, sự ứng dụng AI trong nghiên cứu khoa học vật liệu đã và đang tạo ra những khác biệt, khi đẩy nhanh quá trình xác định, dự đoán các đặc tính của vật liệu, cũng như tối ưu hóa hiệu năng, độ ổn định của chúng.

Không chỉ vậy, AI cũng đóng vai trò quan trọng trong việc giảm thời gian, nguồn lực trong quá trình R&D, bằng cách chọn ra những hướng đi cần ưu tiên với vật liệu bền vững.

Là chuyên gia hàng đầu về năng lượng, GS Freitag tập trung vào phát triển các công nghệ mới ứng dụng ánh sáng, kết hợp với vật liệu phối trí nhằm giải quyết những thách thức quan trọng trong lĩnh vực, đặc biệt là liên quan đến tính bền vững, ổn định và hiệu suất của pin mặt trời lai (Hybrid Photovoltaic). 

Những ý tưởng đột phá này đã mang lại cho bà sự công nhận rộng rãi trên trường quốc tế, trong đó phải kể đến Giải thưởng Nhà Nghiên cứu Trẻ Göran Gustafsson năm 2019 và Giải thưởng Harrison-Meldola danh giá năm 2022 của Hiệp hội Hóa học Hoàng gia.

Tại đó, GS Freitag được xem là một trong những người tiên phong dẫn đầu làn sóng phát triển thiết bị quang điện tử bền vững trên thế giới.

Nhận lời đến Việt Nam tham dự Tuần lễ Khoa học Công nghệ VinFuture 2024, GS Freitag cho biết bà đánh giá cao sứ mệnh của Giải thưởng VinFuture trong việc kết nối khoa học với đời sống. 

"Điều khiến tôi ấn tượng ở VinFuture là sự tập trung vào những đột phá khoa học có khả năng ứng dụng thực tiễn, giải quyết các vấn đề của thế giới thực. VinFuture không chỉ vinh danh các nhà khoa học xuất sắc, mà còn tạo ra những hình mẫu truyền cảm hứng cho thế hệ trẻ", GS Freitag chia sẻ. 

Cũng theo nhà khoa học kỳ cựu, các sự kiện quốc tế do VinFuture tổ chức là cơ hội tuyệt vời để các nhà khoa học đến từ nhiều quốc gia trên thế giới gặp gỡ và trao đổi kiến thức. 

"Tôi tin tưởng rằng hợp tác quốc tế là điều kiện tiên quyết để giải quyết những thách thức toàn cầu và thúc đẩy tiến bộ khoa học công nghệ", GS Freitag khẳng định. 

THeoDantri

Read More

Cỗ máy sản xuất 10 kg hydro mỗi giờ bằng điện sạch

 Máy điện phân lớn nhất từng sản xuất tại Tây Ban Nha có công suất 500 kW, có thể sản xuất hydro bằng điện từ các trang trại gió.

Máy điện phân kiềm điều áp do Nordex chế tạo. Ảnh: Nordex

Nordex SE, nhà sản xuất turbine gió hàng đầu của Đức, chế tạo nguyên mẫu máy điện phân kiềm điều áp 500 kW để sản xuất hydro, Interesting Engineering hôm 18/6 đưa tin. Cỗ máy được thiết kế, chế tạo và lắp ráp hoàn toàn tại Tây Ban Nha, là máy điện phân lớn nhất từng sản xuất tại quốc gia châu Âu này.

Hydro là một trong những nhiên liệu có thể thay thế nhiên liệu hóa thạch trong ôtô, thậm chí máy bay. Tuy nhiên, các phương thức sản xuất hydro hiện nay vẫn phụ thuộc vào nhiên liệu hóa thạch, khiến nguồn năng lượng này chưa thể chống biến đổi khí hậu hiệu quả. Máy điện phân có thể giúp thay đổi tình trạng đó bằng cách sử dụng năng lượng sạch và xanh hơn để tạo ra hydro.

Máy điện phân kiềm điều áp sử dụng chất điện phân lỏng đậm đặc, ví dụ như kali hoặc natri hydroxit. Hai điện cực được chia tách bằng màng ngăn vô cơ xốp. Khí hydro sinh ra có thể dễ dàng được tách chiết và toàn bộ quá trình diễn ra ở mức nhiệt dưới 100 độ C. Công nghệ này phù hợp để sản xuất hydro quy mô lớn với chi phí tương đối thấp.

Nordex Electrolyzers, công ty con của Nordex SE, hé lộ nguyên mẫu đầu tiên của máy điện phân kiềm áp suất 500 kW đầu tuần này. Trước đó, công ty đã phát triển một nguyên mẫu 50 kW, hiện được thử nghiệm tại cơ sở ở Puertollano, Ciudad Real.

Với công suất 500 kW, máy điện phân mới có thể sản xuất khoảng 10 kg hydro mỗi giờ và tiêu thụ chưa đến 50 kWh điện cho mỗi kg hydro. Công nghệ và thiết kế của cỗ máy cho phép quá trình sản xuất diễn ra ngay cả khi nguồn điện biến động hoặc bị gián đoạn. Nguyên mẫu cũng được thiết kế để hoạt động với năng lượng tái tạo từ các trang trại gió, cho phép nó kết hợp với turbine gió của Nordex.

"Nguyên mẫu này là một phần trong kế hoạch phát triển của Nordex Electrolyzers với mục tiêu tạo ra thiết kế cuối cùng của sản phẩm quy mô MW vào năm 2026. Một trong những cam kết của Nordex Electrolyzers là sản xuất máy điện phân chất lượng cao và hiệu quả, đồng thời tập trung vào tính bền vững, đóng góp cho quá trình chuyển đổi sang nền kinh tế sử dụng năng lượng sạch", Luis Solla, CEO của Nordex Electrolyzers, cho biết.

Thu Thảo (Theo Interesting Engineering)

Read More

Xe hydro chạy gần 2.500 km không cần tiếp nhiên liệu

 

HÀ LANMẫu xe hydro Eco-Runner XIII của Đại học TU Delft chạy 2.488,45 km/l chỉ với một bình nhiên liệu hydro.

Xe Eco-Runner XIII lập kỷ lục ở đường chạy Immendingen. Video: Đại học TU Delft

Nhóm sinh viên đến từ Đại học TU Delft giới thiệu nguyên mẫu mới nhất mang tên Eco-Runner XIII của mẫu xe hơi loại nhỏ chạy bằng hydro Eco-Runner hồi tháng 5/2023. Chiếc xe lập kỷ lục thế giới Guinness về quãng đường chỉ sau một tháng, New Atlas hôm 3/7 đưa tin. Eco-Runner được thiết kế để tiết kiệm nhiên liệu hơn 100 lần so với xe hiện đại chạy bằng nhiên liệu hóa thạch.

Nhóm phát triển chọn đường chạy thử nghiệm Immendingen ở Đức để lập kỷ lục. Quá trình thử nghiệm diễn ra hôm 22/6. Ngày hôm sau, từ 4 giờ sáng, phương tiện bắt đầu vòng chạy, di chuyển ở tốc độ 45 km/h, gần gấp đôi tốc độ của nguyên mẫu năm ngoái. Kỷ lục trước đó là 2.056 km bị phá vỡ vào ngày 25/6, nhưng nhiên liệu trong bình vẫn còn, vì vậy Eco-Runner tiếp tục chạy. Phương tiện dừng bánh vào 8h26 ngày 26/6 theo giờ địa phương, cán mốc 2.488,45 km với 950 g hydro, lập kỷ lục thế giới Guinness dành cho "quãng đường lớn nhất chạy bởi một chiếc xe đổ đầy bình nhiên liệu hydro".

Giống như mẫu xe điện Mặt Trời ấn tượng của Đại học TU Delft, Eco-Runner là dự án cộng tác hàng năm giữa các sinh viên đến từ nhiều khoa khác nhau. Dự án bắt đầu vào năm 2005 với mẫu xe Eco 1 có 3 bánh, nằm trong top 5 của cuộc thi Shell Eco-marathon năm 2006 và đạt hiệu suất 557 km/l xăng.

Phiên bản hình viên đạn tiếp theo chuyển sang nguồn nhiên liệu hydro, trong đó hydro được dẫn từ bình lưu trữ tới pin nhiên liệu cho phản ứng điện hóa học tạo ra dòng điện với chất thải duy nhất là nước. Mẫu xe này có hiệu suất tương đương 2.282 km/l xăng và lập kỷ lục ở Hà Lan.

Xe Eco-Runner XIII lập kỷ lục ở đường chạy Immendingen. Video: Đại học TU Delft

Những thiết kế sau đó tiếp tục hoàn thiện cho tới khi concept xe đô thị đầu tiên ra đời năm 2020, vẫn sở hữu 3 bánh nhưng chiều dài phương tiện rút ngắn đáng kể. Phiên bản sau đó bổ sung thêm bánh thứ 4 và chạy liên tục 36 giờ với một bình hydro trên quãng đường dài 1.195,74 km. Nhóm thiết kế năm ngoái đoạt hạng nhất trong cuộc thi Hydrogen Efficiency Challenge.

Phiên bản thiết kế lại tập trung vào lập kỷ lục quãng đường mới. Nhóm phát triển gồm 24 sinh viên hiện nay chế tạo Eco-Runner XIII chắc chắn hơn với hình dáng khí động và cấu tạo tiết kiệm trọng lượng.

An Khang (Theo New Atla

ện tại 0:38

/

Thời lượng 2:00

Đã tải: 0%

Tiến trình: 0%

s)

Read More

Hàn Quốc : Robot chỉ huy dàn nhạc

SuuTam

 

Read More

Xem robot leo dây sửa đường điện cao thế ở Trung Quốc

TheoTuoiTre

 

Read More

'Mặt Trời nhân tạo' của Trung Quốc bắt đầu chạy thử

 Lò phản ứng này có thể đạt tới nhiệt độ hoạt động cao gấp 10 lần nhiệt độ của Mặt Trời thật.

Trung Quốc vừa bắt đầu chạy thử dự án lò phản ứng nhiệt hạch HL-2M. Hoạt động dựa trên nguyên lý giống như phần lõi của Mặt Trời, cỗ máy này sẽ là hi vọng tìm kiếm nguồn năng lượng mới của giới khoa học.

Theo công bố của Công ty nguyên tử quốc gia Trung Quốc (CNNC), HL-2M có thể hoạt động ở nhiệt độ 150 triệu độ C, cao gần gấp 3 so với phiên bản trước đó là HL-2A và gấp 10 lần nhiệt độ bên trong lõi Mặt Trời. Đây cũng là mức nhiệt độ hoạt động của một dự án "Mặt Trời nhân tạo" khác là ITER, cỗ máy đang được lắp ráp ở Pháp.

Lò phản ứng nhiệt hạch HL-2M được lắp đặt tại thành phố Thành Đô, tỉnh Tứ Xuyên, Trung Quốc. Ảnh: Xinhua.

Lò phản ứng này sử dụng thiết kế "bánh vòng" tokamak, được các nhà vật lý Liên Xô đề xuất vào thập niên 1950. Nó sẽ sử dụng từ trường cực mạnh để tạo áp suất, ép hỗn hợp vật chất ion hóa (plasma) bên trong lòng của lò.

Khi nhiệt độ và áp suất đủ lớn, các hạt nhân bên trong plasma sẽ bị ép vào với nhau để hình thành hạt nhân mới, đồng thời phóng thích neutron và năng lượng. Năng lượng này làm nóng bề ngoài của phần lồng, nhiệt độ này chính là năng lượng thu được.

"HL-2M là Mặt Trời nhân tạo có thông số tốt nhất của Trung Quốc", ông Xu Min, Giám đốc viện nghiên cứu về nhiệt hạch của CNNC nói với Xinhua.

Ông Xu cũng cho biết thời gian giam hãm năng lượng của HL-2M đạt mức vài trăm mili giây, trong khi các thiết kế trên thế giới hiện cũng đạt mức dưới 1 giây.

Yang Qingwei, kỹ sư trưởng của CNNC cho biết HL-2M sẽ trở thành "trụ cột quan trọng" để tiếp tục phát triển ITER. Đây là một dự án quốc tế, với sự tham gia của nhiều nước như Mỹ, Trung Quốc, Ấn Độ, Nhật Bản, Nga và Hàn Quốc.

Mục tiêu của Trung Quốc là tạo ra bản thử nghiệm của lò phản ứng nhiệt hạch hoàn chỉnh vào năm sau, đưa ra bản thiết kế công nghiệp vào năm 2035 và bắt đầu khai thác thương mại từ năm 2050.

Đến nay, các dự án phản ứng nhiệt hạch vẫn chỉ ở mức thử nghiệm. Lý do rất đơn giản: để tạo được một lượng năng lượng nhất định từ lò phản ứng nhiệt hạch, con người đang phải tiêu tốn nhiều hơn số đó để tạo môi trường và các chất hóa học phù hợp.

Để có được tritium, người ta có thể phải thực hiện một phản ứng phụ sau quá trình hợp hạch, hay khai thác từ nước chứa nhiều deuterium. Tuy nhiên các hình thức này đều rất tốn kém.

Bên trong thiết kế "bánh vòng" tokamak của lò phản ứng. Ảnh: Xinhua.

Phòng thí nghiệm Jet, nơi có máy tomatak mạnh nhất châu Âu chỉ sử dụng nhiên liệu là deuterium và tritium cho những thử nghiệm quan trọng nhất. Năm 1997, Jet sử dụng nhiên liệu có 50% deuterium và 50% tritium, đạt được mức năng lượng đầu ra 16 MW so với năng lượng để đốt nóng 24 MW. Tỷ lệ này, còn gọi là Q, đạt 0,67.

Đây là kỷ lục đến giờ vẫn chưa có lò phản ứng nhiệt hạch nào vượt qua, hay nói cách khác chưa có thiết bị nào "lãi" về mặt năng lượng.

Dự án nhiệt hạch lớn nhất đang được triển khai là ITER, lò phản ứng được đặt tại Pháp. Đây là một đại dự án, với sự kết hợp từ 35 quốc gia. Lò phản ứng này có tổng kinh phí 22 tỷ USD, và hiện đã hoàn thành khoảng 65%. ITER sẽ đi vào hoạt động năm 2025.

"Đây là lần đầu tiên trong lịch sử loài người các quốc gia đại diện cho hơn một nửa nhân loại và 80% GDP đã bắt tay với nhau để đạt một mục đích chung rất quan trọng", Bernard Bigot, Tổng giám đốc của ITER chia sẻ.

TheoZing.vn

Read More