Bạn có thể tưởng tượng việc dùng nhiệt độ cơ thể để sạc điện thoại không?

Làn da bạn mỗi ngày phát tán một lượng nhiệt tương đương với 8.500 que diêm, và các nhà khoa học đang tìm cách tận dụng nguồn nhiệt này để tạo ra điện năng.

Nếu bạn đã từng nhìn thấy mình qua máy quét nhiệt tại sân bay trong thời gian dịch Covid, bạn sẽ nhận ra cơ thể mình tỏa ra khá nhiều nhiệt. Nguồn nhiệt này là kết quả của quá trình trao đổi chất bên trong cơ thể.

Cũng giống như các cỗ máy khi hoạt động đều tỏa ra nhiệt, cơ thể bạn cũng vậy. Mỗi ngày, mỗi diện tích 2x2 cm trên da bạn tạo ra nhiệt tương đương với một que diêm cháy.

Nhân con số đó với diện tích da trung bình của một người trưởng thành, khoảng 17.000 cm2, chúng ta sẽ có tổng lượng nhiệt tương đương với 8.500 que diêm, ngay cả khi ngủ.

Hầu hết nhiệt này sẽ thoát qua quần áo và bay vào không khí xung quanh, và các nhà khoa học cho rằng nếu để như vậy thì quả là rất phí phạm.

Một nghiên cứu đăng trên tạp chí Advanced Functional Materials đã chỉ ra cách thu lại nhiệt độ cơ thể con người và biến nó thành điện năng.

Công nghệ này sử dụng một loại vật liệu chế tạo từ gỗ, và có thể ứng dụng vào nhiều tình huống khác nhau, như thu nhiệt từ bô xe máy, máy tính, laptop, thậm chí từ trán khi bạn bị sốt để sạc điện thoại.

Hiệu ứng điện nhiệtThermoelectricity

Có thể bạn đã biết cách các nhà máy nhiệt điện vận hành. Họ đốt than đá, dầu hoặc khí để tạo nhiệt, sau đó dùng nhiệt này để đun nước thành hơi. Hơi nước tạo ra áp suất, di chuyển qua các ống dẫn và làm quay tua bin, tạo ra điện.

Việc đốt nhiên liệu hóa thạch tại các nhà máy nhiệt điện sản sinh ra lượng khí thải nhà kính như CO₂, SO₂ và NOₓ. Ngoài ra, còn có bụi mịn, tro xỉ và chất thải rắn gây ô nhiễm môi trường nếu không được xử lý đúng cách.

Do đó, nhiệt điện không phải là nguồn năng lượng xanh. Nhưng hiệu ứng điện nhiệt (Thermoelectricity) thì lại hoàn toàn khác.

Ở đây, chúng ta đang nói về việc sử dụng nhiệt để tạo ra điện, nhưng hiệu ứng điện nhiệt (Thermoelectricity) không cần nhiệt độ cao để làm quay tua bin. Thay vào đó, nó tận dụng nhiệt độ thấp, không cần đốt gì, để tạo ra dòng điện chạy trong mạch kín.

Hiệu ứng này lần đầu tiên được phát hiện bởi nhà vật lý người Estonia, Thomas Seebeck, vào năm 1821. Seebeck nhận thấy khi ông nối hai loại kim loại khác nhau tại hai điểm nối và tạo ra sự chênh lệch nhiệt độ giữa chúng, một dòng điện sẽ chạy từ điểm nóng sang điểm lạnh hơn.

Điều này xảy ra vì các electron ở vùng nhiệt độ cao của vật liệu sẽ dao động mạnh hơn và có động năng lớn hơn. Chúng va vào các electron gần kề, và cứ thế, các electron truyền động năng cho nhau, đẩy chúng di chuyển từ phía vật liệu nóng sang phía vật liệu lạnh, tạo ra dòng điện nhiệt (Thermoelectricity).

Trong suốt hơn một thế kỷ, các nhà khoa học đã cố gắng thu được dòng điện từ hiệu ứng điện nhiệt này để sử dụng. Tuy nhiên, các vật liệu có thể tạo ra hiệu điện thế mạnh từ hiệu ứng này thường rất độc hại, như cadmium, chì hoặc thủy ngân.

Vì vậy, hầu hết các hệ thống điện nhiệt hiện nay chỉ được áp dụng trong ngành hàng không vũ trụ, nơi các nhà khoa học lắp đặt các thiết bị điện nhiệt trên tàu vũ trụ để cung cấp năng lượng cho chúng.

Các tàu Voyager 1 và Voyager 2 đang thám hiểm ngoài Hệ Mặt Trời, tàu Cassini đang nghiên cứu 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 điện nhiệt Thermoelectricity.

Vật liệu xanh mới mở ra cơ hội ứng dụng điện nhiệt an toàn

Để vật liệu ứng dụng hiệu ứng điện nhiệt hiệu quả, nó phải thỏa mãn hai yêu cầu: đầu tiên, vật liệu phải có khả năng dẫn điện để tạo dòng electron. Thứ hai, vật liệu phải có tính dẫn nhiệt kém, nếu không, sự chênh lệch nhiệt độ sẽ nhanh chóng bị cân bằng.

Hầu hết các vật liệu hiện nay trên Trái Đất đều không đáp ứng được cả hai yêu cầu này, vì tính chất dẫn điện và dẫn nhiệt thường đi đôi với nhau.

Tuy nhiên, một nghiên cứu gần đây đăng trên tạp chí Advanced Functional Materials cho thấy nhóm các nhà khoa học từ Đại học Limerick, Ireland và Đại học Valencia, Tây Ban Nha đã phát hiện ra một vật liệu phù hợp để chế tạo hệ thống điện nhiệt.

Và thật bất ngờ, vật liệu đó lại là gỗ.

Chúng ta đều biết gỗ là vật liệu dẫn nhiệt kém, nhờ vào cấu trúc sợi đan xen với không khí và các tế bào cellulose bên trong gỗ, khiến nhiệt không thể truyền đi dễ dàng. Nhưng làm sao để gỗ có thể dẫn điện được?

Để đạt được điều này, nhóm nghiên cứu từ Ireland và Tây Ban Nha đã thu thập bột gỗ lignin, một phụ phẩm từ ngành công nghiệp giấy. Sau đó, họ tiến hành chiết xuất và ngưng tụ để biến bột lignin thành dạng màng mỏng.

Những màng lignin này sau đó được nhúng vào dung dịch muối để tạo môi trường ion. Nhờ vậy, chúng trở nên dẫn điện và sẵn sàng cho hiệu ứng điện nhiệt.

Khi thử nghiệm với các mẫu màng lignin ion, các nhà khoa học đã thành công trong việc tạo ra dòng điện nhiệt khi áp dụng nhiệt độ thấp lên vật liệu.

"Sự chênh lệch nhiệt độ trên màng lignin khiến các ion (nguyên tử mang 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 chênh lệch điện thế trên màng, có thể khai thác thành năng lượng điện", đồng tác giả nghiên cứu, Muhammad Muddasar từ Khoa Kỹ thuật, Đại học Limerick, Ireland cho biết.

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

Ứng dụng của công nghệ này không chỉ dừng lại ở đây.

Việc chứng minh rằng gỗ có thể được sử dụng để tạo ra hiệu ứng điện nhiệt Thermoelectricity một cách hiệu quả, an toàn và thân thiện với môi trường, các nhà khoa học nhận định rằng ứng dụng của nghiên cứu này sẽ rất rộng lớn.

"Gỗ đã là một phần quan trọng trong nền văn minh của chúng ta suốt nhiều thế kỷ, đóng vai trò là vật liệu xây dựng và nguồn nhiên liệu. Nhưng chúng tôi đã phát hiện rằng gỗ còn có thể trở thành vật liệu điện nhiệt, mở ra một giải pháp năng lượng thay thế an toàn và bền vững hơn", Muddasar cho biết.

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

Trong nghiên cứu của mình, nhóm khoa học đã thử nghiệm vật liệu lignin và phát hiện nó có thể duy trì độ bền và tạo ra điện ở nhiệt độ lên đến 200°C. Vì khoảng 66% nhiệt thải từ công nghiệp thường nằm trong dải nhiệt này, lignin mở ra cơ hội lớn cho các giải pháp điện nhiệt, như tận dụng nhiệt thất thoát trong các nhà máy nhiệt điện truyền thống để tạo ra thêm điện.

Các nhà máy luyện kim, lọc dầu, sản xuất xi măng và nhiều ngành công nghiệp khác đều tạo ra nhiệt lượng thất thoát mà không thể thu hồi. Thêm vào đó, các phương tiện giao thông như ô tô, xe máy và máy bay cũng thải ra nhiệt mà chúng ta có thể thu lại để tái sử dụng.

"Không chỉ cơ thể chúng ta tạo ra nhiệt thải. Trong thế giới công nghệ hiện đại, mỗi ngày chúng ta chứng kiến sự giải phóng nhiệt thừa từ động cơ xe cộ đến các thiết bị máy móc sản xuất. Thường thì nhiệt này lại bị thải ra môi trường, đánh mất một nguồn năng lượng đáng kể mà chúng ta có thể tận dụng", Muddasar chia sẻ.

Nghiên cứu này thuộc một lĩnh vực mới nổi mang tên "thu hồi nhiệt thải", nhằm giải quyết vấn đề lãng phí nhiệt trong các quy trình sản xuất. Bằng cách khai thác nguồn năng lượng bị bỏ phí này, các nhà khoa học hy vọng có thể cải thiện hiệu suất hoạt động của các hệ thống, đồng thời đóng góp vào mục tiêu xây dựng một môi trường bền vững hơn.

"Công nghệ mới này có tiềm năng tạo ra sự thay đổi lớn trong nhiều lĩnh vực. Các ngành công nghiệp sản xuất, nơi có lượng nhiệt thừa lớn, sẽ có thể tận dụng nguồn nhiệt đó để tạo ra điện. Điều này sẽ giúp tiết kiệm năng lượng và giảm thiểu tác động tiêu cực đến môi trường", các nhà nghiên cứu cho biết.

"Phương pháp điện nhiệt này không chỉ cung cấp một giải pháp thay thế thân thiện với môi trường, tránh dùng hóa chất độc hại hay phụ thuộc vào nhiên liệu hóa thạch, mà còn tạo ra một giải pháp bền vững để lưu trữ năng lượng từ nhiệt thải. Những cải tiến trong công nghệ lưu trữ năng lượng này có thể cung cấp năng lượng cho mọi thứ, từ thiết bị điện tử tiêu dùng, công nghệ đeo tay cho đến xe điện".