Dùng lá sen giúp giải quyết vấn đề năng lượng sạch

Và trong các loại lá thì lá sen là ứng cử viên số 1 nhờ có diện tích thoát hơi lớn trong khi rễ luôn gắn chặt với nguồn nước. Nhóm nghiên cứu cho biết máy phát điện thoát hơi nước của lá sen mà họ thử nghiệm có thể cung cấp năng lượng cho các thiết bị điện tử nhỏ và có thể được sử dụng để tạo ra mạng lưới điện chạy bằng thực vật.

Thủy điện từ thực vật là gì?

Không giống như thủy điện truyền thống, vốn dựa vào việc khai thác lực của nước chuyển động đẩy vào tuabin, các hệ thống thủy điện thực vật tạo ra năng lượng từ các tương tác bên trong chính nước. Chúng có thể thu năng lượng được tạo ra bởi các phân tử nước bốc hơi, ngưng tụ, khuếch tán—hoặc trong trường hợp của thực vật, từ các ion chuyển động khi nước được kéo từ rễ lên lá.

Nghiên cứu trước đây chỉ ra rằng việc khai thác chỉ 1% năng lượng có sẵn trong các hệ thống thủy điện với hiệu suất 1% có thể đáp ứng gần một phần ba nhu cầu năng lượng của thế giới—tương đương với dầu thô.

Các hệ thống thủy điện khác đã được chứng minh, nhưng thử nghiệm trên lá sen là một trong những nghiên cứu đầu tiên thu năng lượng trực tiếp từ quá trình thoát hơi nước tự nhiên của lá cây. Mặc dù lá cây rất phổ biến nhưng đúng là trước giờ ít ai nghĩ về chúng như một nguồn phát năng lượng.

Nhóm nghiên cứu đã sử dụng lá sen để chứng minh rằng điều đó có thể thực hiện được. Họ đã tạo ra một hệ thống điện bằng cách đặt một điện cực lưới titan trên lá để hoạt động như một cực âm và chèn một điện cực kim vào thân cây như một cực dương. Khi nước di chuyển lên trên để thoát hơi nước qua khí khổng của lá (khí khổng là các lỗ chân lông cực nhỏ trong lá cây giải phóng nước và hơi nước), các ion di chuyển giữa các điện cực, tạo ra một hiệu điện thế trong suốt cả ngày.

Khi được kết nối với một thiết bị, năng lượng từ một chiếc lá riêng lẻ sẽ chỉ tạo ra một dòng điện nhỏ, chỉ cỡ 50 nano-ampe. Nhưng các nhà nghiên cứu cho biết có thể khuếch đại dòng điện bằng cách thêm các kết nối với nhau theo kiểu nối tiếp.

Nhiều yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất của hệ thống: sản lượng điện tăng khi độ ẩm cao hơn, nhưng giảm khi thân cây dày hơn và nhiệt độ cao hơn. Để công nghệ này khả thi về mặt thương mại, các nhà nghiên cứu sẽ cần tìm cách tăng sản lượng của từng chiếc lá và tối ưu hóa việc thu thập và lưu trữ năng lượng.

Giải quyết được vấn đề của thủy điện truyền thống

Điện từ thủy điện truyền thống dựa vào chuyển động và tương tác của nước với các bề mặt rắn. Các thiết bị hiện tại thường yêu cầu nguồn cung cấp nước ổn định khiến các nhà máy điện bị hạn chế địa lý vì các thiết bị phải ở gần các nguồn nước, chẳng hạn như sông hoặc đập. Ngoài ra, việc xây dựng thủy điện hiện còn chịu chỉ trích về những tác động môi trường như làm biến đổi hạ lưu, ảnh hưởng sinh thái và sinh kế của người dân. Còn thủy điện từ thực vật sẽ không gây những tác động như vậy mà ngược lại, càng trồng nhiều cây thì càng tốt cho trao đổi môi trường.

Lượng hơi nước từ một chiếc lá có thể nhỏ nhưng với nhiều chiếc lá thì có thể khác. Các nhà nghiên cứu từ Đại học Nông lâm Phúc Kiến cho biết: “Quá trình thoát hơi nước tự nhiên của lá cây, với tư cách là luồng nước lớn nhất trên đất liền tích tụ năng lượng tiềm ẩn khổng lồ, hiếm khi được khai thác trực tiếp".

“Ở đây, chúng tôi tiên phong trong việc phát triển một thiết bị nguyên mẫu máy phát điện thoát hơi nước từ lá sen sống (LTG) để chứng minh khả năng tạo ra điện khả thi thông qua quá trình thoát hơi nước từ lá”.

Cục Quản lý Khí quyển và Đại dương Quốc gia Mỹ phân tích thêm: “Thoát hơi nước về cơ bản là quá trình bốc hơi nước từ bên trong lá cây. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng quá trình thoát hơi nước chiếm khoảng 10% độ ẩm trong khí quyển, trong khi đại dương, biển và các vùng nước khác (hồ, sông, suối) cung cấp gần như toàn bộ lượng còn lại. Trong mùa sinh trưởng, một chiếc lá sẽ thoát hơi nước gấp nhiều lần so với trọng lượng của chính nó. Một mẫu Anh (0,4 ha) ngô thải ra khoảng 3.000-4.000 gallon (11.400-15.100 lít) nước mỗi ngày và một cây sồi lớn có thể thoát hơi nước 40.000 gallon (151.000 lít) mỗi năm”.

Để nói về con số khổng lồ, nhóm nghiên cứu ước tính rằng việc thu năng lượng thoát hơi nước từ thực vật có khả năng sản xuất 67,5 terawatt điện trên toàn cầu mỗi năm.

Hu Qichang, tác giả khởi xướng công trình và là giáo sư tại trường đại học Nông lâm Phúc Kiến cho biết: “Thông qua nghiên cứu sâu hơn và tối ưu hóa kỹ thuật, quá trình tạo ra điện thoát hơi nước từ lá có tiềm năng trở thành một công nghệ được sử dụng rộng rãi và khả thi về mặt thương mại. Những lợi thế cốt lõi của nó là tính bền vững, thân thiện với môi trường và chi phí thấp”.

Mặc dù quy trình này vẫn đang trong giai đoạn đầu, nhóm nghiên cứu đang nỗ lực tìm hiểu vai trò của quá trình thoát hơi nước của thực vật trong quá trình phát điện, tăng cường tiếp xúc giữa điện cực với thực vật và tích hợp LTG với các nguồn năng lượng tái tạo như năng lượng mặt trời và gió. Các nhà nghiên cứu cho biết với sự tiến bộ về mặt kỹ thuật và nghiên cứu liên tục, phương pháp phát điện này có thể được sử dụng rộng rãi và khả thi về mặt thương mại.