Năng lượng được tạo ra hiệu quả hơn nhờ tảo biển?

Nghiên cứu mới của các nhà khoa học thuộc Đại học Công nghệ Nanyang, Singapore (NTU Singapore) đã chỉ ra cách bao bọc protein của tảo trong các giọt chất lỏng có thể tăng cường đáng kể đặc tính thu nhận ánh sáng và chuyển hóa năng lượng của tảo, làm cho nó hiệu quả hơn gấp 3 lần. Năng lượng này được tạo ra trong quá trình quang hợp của tảo. Đây là quá trình thực vật, tảo và một số vi khuẩn sử dụng để khai thác năng lượng từ ánh sáng mặt trời và biến nó thành năng lượng hóa học.

Bằng cách mô phỏng quá trình thực vật chuyển đổi ánh sáng mặt trời thành năng lượng, quang hợp nhân tạo có thể được xem là một phương pháp tạo ra điện bền vững, mà không dựa vào nhiên liệu hóa thạch hoặc khí tự nhiên. Do đó, việc tăng cường tổng lượng điện sản xuất ra có thể làm cho quá trình quang hợp nhân tạo trở nên khả thi về mặt thương mại.

Nghiên cứu do trợ lý Giáo sư Chen Yu-Cheng từ Trường Kỹ thuật Điện và Điện tử đứng đầu, đã xem xét một loại protein đặc biệt được tìm thấy trong tảo đỏ. Những protein này, được gọi là phycobiliprotein, chịu trách nhiệm hấp thụ ánh sáng trong tế bào tảo để bắt đầu quá trình quang hợp. Theo đó, phycobiliprotein thu năng lượng ánh sáng từ khắp dải quang phổ của bước sóng ánh sáng, bao gồm cả những bước sóng mà chất diệp lục hấp thụ kém và chuyển nó thành điện năng.

Công nghệ bao mới có thể tăng cường đáng kể đặc tính thu nhận ánh sáng và chuyển hóa năng lượng của tảo. (Ảnh: Đại học Công nghệ Nanyang)

Theo Giáo sư Chen, do đặc tính phát sáng và quang hợp độc đáo của chúng, phycobiliprotein có những ứng dụng tiềm năng đầy hứa hẹn trong công nghệ sinh học và các thiết bị trạng thái rắn, sử dụng ánh sáng tạo ra nguồn điện.

Sử dụng tảo làm nguồn năng lượng sinh học là một chủ đề phổ biến được quan tâm trong tính bền vững và năng lượng tái tạo. Bởi việc sử dụng tảo có khả năng làm giảm lượng phụ phẩm độc hại được tạo ra trong quá trình sản xuất các tấm pin mặt trời.

Hiệu suất quang hợp nhân tạo tăng gấp 3 lần

Vi tảo hấp thụ ánh sáng mặt trời và chuyển hóa nó thành năng lượng. Để khuếch đại lượng năng lượng mà tảo có thể tạo ra, nhóm nghiên cứu đã phát triển một phương pháp bao bọc tảo đỏ trong các giọt vi tinh thể lỏng nhỏ có kích thước từ 20 đến 40 micron và cho chúng tiếp xúc với ánh sáng.

Ánh sáng bị giữ lại một cách hiệu quả trong giọt trong một khoảng thời gian dài hơn, tạo cơ hội cho quá trình quang hợp diễn ra nhiều hơn, từ đó tạo ra nhiều năng lượng hơn. Năng lượng được tạo ra trong quá trình quang hợp dưới dạng các điện tử tự do sau đó có thể được thu nhận thông qua các điện cực như một dòng điện.

Điều này giúp tảo tiếp xúc nhiều hơn với ánh sáng, tăng tốc độ quang hợp. Bằng cách khai thác các vi hạt làm vật liệu sinh học thu ánh sáng, việc tăng cường điện trường cục bộ mạnh mẽ và giam giữ photon bên trong giọt đã dẫn đến việc tạo ra điện năng cao hơn đáng kể. Các giọt có thể dễ dàng được sản xuất hàng loạt với chi phí thấp, thúc đẩy phương pháp của nhóm nghiên cứu được áp dụng rộng rãi.

Sử dụng tảo biển sẽ làm giảm lượng phụ phẩm độc hại được tạo ra trong quá trình sản xuất các tấm pin mặt trời. (Ảnh minh họa)

Theo giáo sư Chen, hầu hết các pin mặt trời làm từ tảo tạo ra năng lượng điện từ 20–30 microwatts trên 1 cm2 (µW/cm2). Sự kết hợp giữa các giọt tảo NTU đã tăng mức độ tạo năng lượng này lên ít nhất 2-3 lần, so với tốc độ tạo năng lượng của riêng protein tảo.

Chuyển đổi "rác sinh học" thành năng lượng sinh học

Một trong những thách thức của quá trình quang hợp nhân tạo là tạo ra năng lượng hiệu quả như các nguồn năng lượng mặt trời khác, chẳng hạn như các tấm pin mặt trời. Trung bình, các tấm pin mặt trời có hiệu suất từ 15-20% trong khi quá trình quang hợp nhân tạo hiện được ước tính là hiệu quả 4,5%.

Theo nhận định của giáo sư Chen: “Quang hợp nhân tạo không hiệu quả bằng pin mặt trời trong việc tạo ra điện. Tuy nhiên, nó có khả năng tái tạo và bền vững hơn, thu hút sự quan tâm đáng kể trong lĩnh vực năng lượng sinh học”.

Giáo sư Chen đã nghiên cứu một trường hợp sử dụng tiềm năng là "trang trại nuôi tảo", nơi tảo phát triển dày đặc trong các vùng nước cuối cùng có thể được kết hợp với các giọt tinh thể lỏng lớn hơn để tạo ra máy phát điện nổi.

Lan Anh (T/h)