Liệu bạn có thể sạc điện thoại, từ chính thân nhiệt cơ thể mình?

Nếu bạn đã từng nhìn thấy mình qua camera ở sân bay thời Covid, bạn sẽ biết cơ thể mình đang sản sinh ra rất nhiều nhiệt. Nhiệt lượng này là sản phẩm phụ của quá trình trao đổi chất bên trong cơ thể.

Giống như bất kỳ một cỗ máy nào hoạt động đều phải nóng lên, cơ thể bạn cũng vậy. Mỗi ngày, cứ 2 ô vuông 1x1cm trên da bạn sẽ sinh ra một lượng nhiệt tương đương với việc đốt 1 que diêm. 

Nhân con số đó với diện tích bề mặt da trung bình của một người trưởng thành, khoảng 17.000 cm2, chúng ta đang tỏa ra một lượng nhiệt tương đương với 8.500 que diêm, ngay cả trong khi ngủ.

Hầu hết lượng nhiệt này sẽ truyền qua quần áo, rồi đi ra không khí xung quanh. Và các nhà khoa học nghĩ cứ để vậy sẽ thật lãng phí. 

Trong một nghiên cứu trên tạp chí Advanced Functional Materials, họ đã tìm ra được một cách để thu lại thân nhiệt con người và biến chúng trở lại thành điện.

Công nghệ này, sử dụng một loại vật liệu được làm từ gỗ, và nó cũng có thể được áp dụng cho nhiều trường hợp khác, thu nhiệt tỏa ra từ bô xe máy, từ máy tính PC, laptop, thậm chí từ trán khi bạn sốt để sạc lại điện thoại cho bạn.

Hiệu ứng điện nhiệtThermoelectricity

Có thể bạn đã biết cách các nhà máy nhiệt điện làm việc. Họ sẽ đốt than đá, dầu hoặc khí để tạo nhiệt. Nhiệt này dùng để đun nóng nước, biến nước thành hơi. Hơi nước nóng lên tạo ra áp suất, đi vào các đường ống rồi được dẫn về một tua bin, làm quay máy phát, tạo ra điện.

Việc đốt nhiên liệu hóa thạch của nhà máy nhiệt điện tạo ra rất nhiều khí thải nhà kính bao gồm CO₂, SO₂ và NOₓ. Ngoài ra, các nhà máy này cũng tạo ra vô số bụi mịn, tro xỉ và chất thải rắn làm ô nhiễm môi trường không khí, đất và nước nếu không được xử lý đúng cách.

Nhiệt điện vì vậy không phải là một nguồn năng lượng xanh. Nhưng hiệu ứng điện nhiệt (Thermoelectricity) thì khác.

Ở đây, chúng ta đang nói về cùng một mục đích, sử dụng nhiệt để tạo điện, nhưng hiệu ứng điện nhiệt (Thermoelectricity) không cần dùng đến nhiệt lượng cao để làm quay tua bin máy phát. Thay vào đó, nó sử dụng nhiệt độ thấp – sẽ không yêu cầu bạn phải đốt gì cả - để tạo ra dòng điện chạy trong một mạch kín.

Hiệu ứng này lần đầu tiên được quan sát thấy bởi nhà vật lý người Estonia, Thomas Seebeck, vào năm 1821. Seebeck thấy rằng khi ông nối 2 loại kim loại khác nhau tại 2 điểm nối và tạo sự chênh lệch nhiệt độ giữa chúng, sẽ xuất hiện một dòng điện chạy từ phía vật liệu nóng về phía vật liệu lạnh hơn.

Đó là do các electron ở vùng nóng của vật liệu dao động mạnh hơn và có động năng lớn hơn khi nhiệt độ cao hơn. Chúng sẽ đập vào các electron ngay bên cạnh mình và các electron bên cạnh lại đập vào các elecectron bên cạnh nữa. Cứ thế, các electron lần lượt truyền động năng cho nhau, đẩy chúng di chuyển dần, từ phía vật liệu nóng về phía vật liệu lạnh và tạo thành dòng điện nhiệt (Thermoelectricity).

Trong hơn một thế kỷ, các nhà khoa học đã cố gắng thu giữ dòng điện nhiệt này để sử dụng chúng. Nhưng trớ trêu thay, các vật liệu có thể tạo ra hiệu điện thế mạnh từ hiệu ứng Thermoelectricity thường rất độc hại với con người và môi trường. Chúng thường là cadmium, chì hoặc thủy ngân.

Do đó, phần lớn các hệ thống khai thác điện nhiệt hiện nay chỉ được dùng trong ngành hàng không vũ trụ, khi các nhà khoa học lắp những cỗ máy điện nhiệt lên những con tàu không gian, để cung cấp năng lượng cho chúng hoạt động.

Các tàu Voyager 1 và Voyager 2 đang khám phá ngoài Hệ Mặt Trời, tàu Cassini khám phá Sao Thổ, tàu Viking 1 và Viking 2 đổ bộ Sao Hỏa cùng các robot tự hành Curiosity và Perseverance của NASA đều sử dụng hệ thống phát điện nhiệt Thermoelectricity.

Một vật liệu xanh đang mở ra hướng ứng dụng điện nhiệt an toàn

Vấn đề với các vật liệu ứng dụng hiệu ứng điện nhiệt là chúng phải đảm bảo được hai tiêu chí: Thứ nhất, vật liệu phải dẫn điện, để tạo ra dòng electron. Thứ hai, vật liệu phải dẫn nhiệt kém, bởi nếu không, chênh lệch nhiệt độ ở hai bên vật liệu sẽ nhanh chóng bị trung hòa.

Hầu hết các vật liệu hiện tại trên Trái Đất đều không đảm bảo được cả hai yếu tố này, bởi dẫn nhiệt và dẫn điện là hai tính chất thường đi song hành với nhau.

Nhưng trong một nghiên cứu mới trên tạp chí Advanced Functional Materials, một nhóm các nhà khoa học đến từ Đại học Limerick, Ireland và Đại học Valencia, Tây Ban Nha đã tìm ra được một vật liệu phù hợp để chế tạo máy phát điện nhiệt.

Thật bất ngờ, đó lại là gỗ.

Chúng ta biết gỗ là một loại vật liệu dẫn nhiệt kém, bởi bên trong chúng là các cấu trúc sợi đan xen với không khí và các tế bào cellulose trong gỗ không cho phép nhiệt truyền đi dễ dàng. Nhưng làm thế nào để khiến gỗ dẫn được điện?

Để làm được điều này, nhóm nghiên cứu đến từ Ireland và Tây Ban Nha đã thu thập bột gỗ lignin, là một phụ phẩm từ gỗ của ngành công nghiệp giấy. Sau đó, họ sử dụng một quy trình chiết tách và ngưng tụ để biến bột gỗ lignin thành dạng màng mỏng.

Các màng lignin này sau đó được nhúng vào dung dịch muối để tạo ra môi trường ion. Bây giờ, chúng đã trở nên dẫn điện và trở nên sẵn sàng cho hiệu ứng điện nhiệt.

Thử nghiệm trên các mẫu màng lignin ion, các nhà khoa học đã thành công tạo ra một dòng điện nhiệt khi họ áp các mức nhiệt độ thấp lên vật liệu.

"Sự chênh lệch nhiệt độ trên màng lignin khiến các ion (nguyên tử tích điện) trong dung dịch muối di chuyển. Các ion dương trôi về phía lạnh hơn, trong khi các ion âm di chuyển về phía ấm hơn. Sự tách biệt các điện tích này tạo ra sự chênh lệch điện thế trên màng, có thể được khai thác thành năng lượng điện", đồng tác giả nghiên cứu, Muhammad Muddasar đến từ Khoa Kỹ thuật, Đại học Limerick, Ireland cho biết.

"Mục tiêu của chúng tôi là tạo ra được một thiết bị có thể vừa tạo ra vừa lưu trữ năng lượng, hoạt động như một ngân hàng điện tích hợp cho công nghệ đeo được. Điều này có thể cho phép các thiết bị như đồng hồ thông minh, máy theo dõi sức khỏe hoặc máy theo dõi GPS chạy lâu hơn nhiều, hoặc thậm chí vô thời hạn, bằng cách khai thác nhiệt độ cơ thể của chúng ta".

Nhưng ứng dụng sẽ không dừng lại ở đó

Bằng việc chứng minh gỗ cũng có thể được sử dụng để tạo ra hiệu ứng điện nhiệt Thermoelectricity hiệu quả, an toàn và thân thiện với môi trường, các nhà khoa học cho biết định hướng ứng dụng của nghiên cứu này rất rộng lớn.

"Gỗ là một phần không thể thiếu của nền văn minh nhân loại trong nhiều thế kỷ, đóng vai trò là nguồn vật liệu xây dựng và nhiên liệu. Nhưng chúng tôi đã phát hiện ra rằng bạn cũng có thể tạo ra vật liệu điện nhiệt từ gỗ – mang đến một giải pháp năng lượng thay thế an toàn hơn và bền vững hơn", Muddasar nói.

"Chúng tôi đang khám phá tiềm năng của vật liệu có nguồn gốc từ gỗ để chuyển đổi nhiệt thải, thường bị mất trong các quy trình công nghiệp, thành điện có giá trị".

Trong nghiên cứu của mình, các nhà khoa học đã thử nghiệm vật liệu lignin và thấy nó có thể bền và phát điện ở mức nhiệt lên tới 200 độ C. Vì khoảng 66% nhiệt thải công nghiệp nằm trong phạm vi nhiệt độ này, nên lignin sẽ mở ra cơ hội đáng kể cho các giải pháp điện nhiệt, ví dụ như sử dụng chính nhiệt thất thoát trong nhà máy nhiệt điện truyền thống để tạo thêm điện.

Các nhà máy luyện kim, lọc dầu, và sản xuất xi măng cũng thường xuyên tạo ra nhiệt lượng thất thoát mà không có cách nào thu hồi được. Ngoài ra, các phương tiện đi lại như ô tô, xe máy, máy bay đều thải ra nhiệt lượng lãng phí mà chúng ta có thể tìm cách thu hồi chúng.

"Không chỉ cơ thể chúng ta tạo ra nhiệt thải. Trong thế giới công nghệ tiên tiến của chúng ta, nhiệt thải đáng kể được tạo ra hàng ngày, từ động cơ xe cộ đến máy móc sản xuất hàng hóa. Thông thường, nhiệt lượng này cũng được giải phóng vào khí quyển, thể hiện một cơ hội đáng kể bị bỏ lỡ để thu hồi năng lượng", Muddasar nói.

Nghiên cứu này nằm trong một lĩnh vực mới nổi gọi là "thu hồi nhiệt thải" nhằm giải quyết tình trạng kém hiệu quả của các quy trình sinh nhiệt như một phụ phẩm. Bằng cách khai thác năng lượng bị lãng phí này, các nhà khoa học có thể cải thiện hiệu quả hoạt động của các quy trình, đồng thời góp phần tạo nên một môi trường bền vững hơn.

"Công nghệ mới có tiềm năng tạo ra sự khác biệt lớn trong nhiều lĩnh vực. Các ngành công nghiệp như sản xuất, nơi tạo ra lượng nhiệt thừa lớn, có thể thấy được lợi ích lớn bằng cách biến nhiệt thải đó thành điện. Điều này sẽ giúp họ tiết kiệm năng lượng và giảm tác động của đến môi trường", các nhà nghiên cứu cho biết.

"Bằng cách cung cấp một giải pháp thay thế xanh, tránh các hóa chất độc hại và sự phụ thuộc vào nhiên liệu hóa thạch, phương pháp điện nhiệt mới này đang cung cấp một giải pháp bền vững để lưu trữ năng lượng từ nhiệt thải. Sự đổi mới trong công nghệ lưu trữ năng lượng này có thể cung cấp năng lượng cho mọi thứ, từ đồ điện tử tiêu dùng, công nghệ đeo được cho đến xe điện".