Công nghệ nano biến điện Mặt trời thành nguồn năng lượng rẻ nhất

Điện Mặt trời là lối ra trọng yếu cho ngành công nghiệp năng lượng của loài người. Tuy nhiêu, pin Mặt trời đang ngày càng cho thấy nhiều bất cập. Nano-antenna là một công nghệ mới với các nền tảng được hình thành từ thế kỷ trước đang mở ra nhiều hy vọng vào một nền công nghiệp năng lượng thay thế vừa rẻ, vừa không gây ô nhiễm môi trường. Với trình độ khoa học - công nghệ hiện nay, việc “bắt sóng ánh sáng làm ra điện” đang là một tương lai rất gần.

Điện Mặt trời - bùng nổ và thoái trào

“Bùng nổ điện Mặt trời” - đó là những gì người ta dùng để mô tả ngành công nghiệp mới nổi và phát triển với tốc độ khủng khiếp này từ năm 2013, khi lần đầu tiên tổng công suất các nhà máy điện Mặt trời vượt mốc 100 GigaWatt, tương đương tổng công suất của 16 nhà máy nhiệt điện và nguyên tử lớn nhất thế giới cộng lại. Dẫn đầu xu hướng mới đó là Trung Quốc, Nhật Bản và Mỹ - nơi sản lượng điện Mặt trời tăng trung bình 50 - 100% so với cùng kỳ năm trước và duy trì tốc độ phát triển đó trong gần 10 năm liên tục. Nhiều dự tính cho hay, đến giữa thế kỷ này, khoảng 1/4 sản lượng điện thế giới sẽ được tạo ra từ những tấm pin Mặt trời.

Nguyên nhân chủ yếu của cuộc bùng nổ đó là do giá thành sản xuất điện Mặt trời giảm rất nhanh và liên tục. 20 năm trước, giá thiết bị và lắp đặt để tạo ra 1kW/h ở Mỹ là 10.000 USD, còn bây giờ chỉ khoảng 2 - 4 USD; giá thành 1kW/h hồi đó khoảng 1 euro thì bây giờ chỉ còn 0,06 - 0,08 euro. Trong cuộc chạy đua giảm giá ấy, Trung Quốc giữ vai trò tiên phong với sản lượng sản xuất pin Mặt trời khiến thế giới phải kinh ngạc, chiếm tới 4 trong 10 hãng sản xuất pin Mặt trời lớn nhất thế giới với vị trí dẫn đầu thuộc về công ty Yingli. Các công ty còn lại thuộc về Mỹ, Canada, Nhật Bản, Na Uy và Hàn Quốc.

Cuộc chạy đua hạ giá thành pin điện Mặt trời làm cho nhiều công ty sản xuất lâm vào thua lỗ. Họ buộc phải tìm ra các thị trường tiêu thụ mới hoặc thu hẹp khả năng sản xuất. Bên cạnh đó, các chính sách hỗ trợ từ nhà nước cũng ngày càng giảm đi khiến các công ty nói trên càng thêm khó khăn. “Chúng tôi đang lâm vào một cuộc khủng hoảng thừa đặc trưng mà bất cứ ai từng học kinh tế chính trị đều biết. Cùng với nó, độ bền của sản phẩm pin Mặt trời đang phản lại chúng tôi - 30 năm là quãng thời gian quá dài để các nhà máy điện Mặt trời mua mới pin thay thế. Chúng tôi không chịu đựng được lâu đến thế”, một lãnh đạo công ty buôn bán pin Mặt trời hàng đầu thế giới đang xúc tiến hàng loạt dự án điện Mặt trời tại Việt Nam cho biết.

Công nghệ nano vào cuộc

Năm 1985, nhà khoa học R. E. Smalley và cộng sự thuộc Đại học Rice, Mỹ công bố bài báo khoa học về kết quả nghiên cứu phân tử C60 của họ. Theo đó, những phân tử C60 có cấu trúc như một trái bóng được ghép từ những mảnh lục giác carbon tiêu chuẩn, có kích thước một vài nanomet. Ngoài tính siêu dẫn, các phân tử C60 còn có khả năng hấp thu ánh sáng siêu đẳng, chuyển hóa thành điện năng. Khả năng “nuốt ánh sáng” còn tăng lên gấp bội khi C60 được tạo ra bằng phương pháp hồ quang hóa carbon, tạo thành phân tử hình ống ghép từ các mảnh carbon lục giác chuẩn. Công trình của R. E. Smalley và cộng sự được giải Nobel hóa học 11 năm sau đó.

Sau công bố của nhóm Smalley, các hãng công nghệ hàng đầu thế giới bắt tay vào nghiên cứu vật liệu mới đầy triển vọng này. Tuy nhiên, các nghiên cứu chủ yếu tập trung vào tính siêu dẫn với thành tích đáng kể thuộc về nhóm khoa học tạo sợi carbon siêu dẫn tại công ty IBM. Mãi đến năm “điện Mặt trời bùng nổ” và thoái trào, họ mới “chợt nhớ ra” C60 còn có tính năng biến ánh sáng thành điện năng nữa.

Nguyên lý biến ánh sáng thành điện năng rất đơn giản. Nó được đăng ký bản quyền năm 1972 bởi Robert Bailey và James Fletcher. Các antenna vươn ra “bắt” các sóng ánh sáng, làm các điện tử vòng ngoài trong nguyên tử rung theo sóng ánh sáng và từ đó, dòng điện được tạo thành. Nguyên lý tạo điện như trên phải đợi đến khi vật liệu C60 ra đời mới trở nên khả thi bởi chỉ cấu trúc kích thước cỡ nanomet mới “cảm” được rung động của sóng ánh sáng và tạo điện. Theo sau C60, các nhà nghiên cứu còn tạo ra Silic đa điện tử hình ống tương tự như C60 với khả năng tạo điện còn cao hơn nhiều lần.

Nano-antenna có nhiều ưu điểm vượt trội so với pin Mặt trời. Hiệu quả chuyển đổi năng lượng lý thuyết đạt 100%, trong khi pin Mặt trời chỉ đạt trên dưới 44%. Nguyên vật liệu và công nghệ chế tạo nano-antenna đơn giản hơn chế tạo pin Mặt trời rất nhiều, giá thành 1m2 nano-antenna chỉ khoảng 3 - 5USD, điều mà các công ty sản xuất pin Mặt trời hàng đầu thế giới chưa bao giờ dám mơ tới. Bên cạnh đó, nano-antenna còn “bắt” cả sóng nhiệt, các tia hồng ngoại, tử ngoại, Rơn-ghen,... đi qua, chứ không chỉ bắt các sóng ánh sáng và biến chúng thành điện.

Tuy nhiên, việc đưa nano-antenna vào thực tế sản xuất điện không phải không gặp những trở ngại nhất định. Thứ nhất, việc chuyển điện năng đã sản xuất từ tế bào nano-antenna ra ngoài hiện còn thất thoát nhiều. Thứ hai, công nghệ hồ quang sản xuất C60 hiện mới chỉ ở quy mô nhỏ, chưa từng tiến hành sản xuất ở quy mô công nghiệp. Các nhà nghiên cứu cho rằng, với tiến bộ công nghệ hiện nay, 2 khó khăn trên sẽ được giải quyết trong vòng 3 - 5 năm nữa.

Niềm lạc quan của tương lai gần

Việc đưa công nghệ nano-antenna vào sản xuất điện năng sẽ tạo ra một bước ngoặt về giá đối với loại hình năng lượng này. “Hãy thử tưởng tượng: nguyên liệu để sản xuất nano-antenna là than đá, đầu vào là ánh sáng Mặt trời, rác thải là vụn carbon lại trộn vào đất và trở về làm than đá. Tôi tin không có bất cứ công nghệ sản xuất điện nào lại rẻ và thân thiện với môi trường như thế”, tiến sĩ Sliucar của Hiệp hội Znanie (Kiến thức) Nga nói. Ông cho rằng, những sợi carbon với đường kính nhỏ hơn 100 nanomet sẽ khiến cho giá điện Mặt trời hạ xuống thấp hơn cả giá nhiệt điện, thủy điện và điện hạt nhân. “Chúng ta sẽ sử dụng năng lượng rẻ và thân thiện nhất với môi trường ấy trong vài ba năm tới”, ông nói.

Tuy nhiên, quãng đường dài cần bắt đầu từ những bước đi nhỏ. Tiến sĩ Novack của Trung tâm nghiên cứu Idaho (Mỹ) cho rằng, điện từ nano-antenna nên bắt đầu đưa vào sử dụng từ việc sạc pin điện thoại, chạy xe hơi và sưởi ấm căn hộ. “Điện nano-antenna không nhất thiết phải hòa vào hệ thống lưới điện quốc gia. Các gia đình và địa phương có thể tạo ra các mô hình tự sản - tự tiêu năng lượng này và theo tôi, đó cũng lại cách phù hợp nhất để tiêu thụ điện năng có được từ các nano-antenna”.