Đại học Harvard tìm cách khai thác bức xạ hồng ngoại từ Trái Đất trả
ngược vào không gian
Giáo sư Federico Capasso (trái) và cộng sự Steven J Byrnes.
Một nhóm các kỹ sư đến từ Harvard đã đưa ra lý thiết về một loại tế bào quang điện đảo ngược có thể tạo ra điện từ sự thất thoát nhiệt từ Trái Đất ra ngoài không gian. Trọng tâm của lý thuyết là việc sử dụng dòng năng lượng thất thoát từ hành tinh của chúng ta để tạo ra điện áp thay vì sử dụng nguồn năng lượng từ bên ngoài như công nghệ quang điện mặt trời truyền thống.
Lãnh đạo dự án, giáo sư vật lý ứng dụng Federico Capasso đã thực hiện nghiên cứu dựa trên những phát hiện có từ nửa thế kỷ trước. Cộng sự của ông, Steven J Byrnes đến từ trường kỹ thuật và khoa học ứng dụng thuộc Harvard (SEAS) cho biết: "Ánh sáng mặt trời sở hữu năng lượng, vì vậy tế bào quang điện có thể hữu dụng và bạn chỉ việc thu hoạch nguồn năng lượng này. Tuy nhiên, việc thu lại năng lượng từ ánh sáng hồng ngoại phản xạ trở lại từ Trái Đất là điều không hề đơn giản và ít trực quan hơn. Bởi lẽ bạn sẽ không biết được bao nhiêu năng lượng có thể tạo ra bằng cách này hoặc liệu có đáng để theo đuổi phương pháp này hay không chỉ đến khi bạn ngồi lại và thực hiện các phép tính."
Nhóm nghiên cứu đã đề xuất 2 loại hình thu hoạch năng lượng thải hồi: loại hình đầu tiên tương tự một máy phát điện nhiệt mặt trời và loại hình còn lại giống như tế bào quang điện ngoại trừ việc nó hoạt động ngược so với các tế bào quang điện thông thường.
Hệ thống thu hoạch thứ nhất sử dụng 2 đĩa vật liệu - 1 đĩa có nhiệt độ tương đương nhiệt độ Trái Đất và đĩa thứ 2 đặt ở trên cùng được làm từ một loại vật liệu siêu phát xạ được thiết kế để phát nhiệt lên không trung. Trong một thí nghiệm được thực hiện tại Lamont, Oklahoma, các nhà nghiên cứu đã nhận thấy sự khác biệt về nhiệt giữa 2 lớp đĩa có thể tạo ra một vài watt điện trên mỗi mét vuông, tính cả ban ngày lẫn ban đêm. Mặc dù họ đang đối mặt với những thử thách như tìm cách giữ cho đĩa vật liệu ở trên lạnh hơn môi trường xung quanh và hiệu năng hệ thống còn hạn chế. Thế nhưng, các thí nghiệm cho thấy lý thuyết đã được kiểm chứng trên thực tế và nhờ hiệu ứng nhiệt điện, sự khác biệt về nhiệt có thể tạo ra điện. "Phương pháp này trực quan hơn bởi chúng tôi đang kết hợp các nguyên lý động cơ nhiệt và làm mát bức xạ quen thuộc để triển khai," Byrnes nói.
Hệ thống thứ 2 tạo ra điện áp bằng cách khai thác nhiệt độ ở một tỉ lệ nhỏ hơn rất nhiều. Hệ thống dựa trên sự khác biệt về nhiệt giữa các thành phần điện tử nano như diode và ăng-ten. Nhờ một học thuyết bị bỏ quên kể từ cuối những năm 1960, nhóm nghiên cứu đã tìm cách sử dụng sự chênh lệch nhiệt độ để định hướng nhiễu điện.
Giáo sư Capasso cho biết phương pháp trên đã được xem xét từ năm 1968. Lúc đó, nhà phát minh J. B. Gunn đã đệ trình sáng chế về một loại diode mang tên ông để sử dụng trong radar cảnh sát. Tuy nhiên, mọi thứ đã bị chôn vùi trong các tài liệu và bị lãng quên. Các biểu đồ của Gunn cho thấy nếu một diode có nhiệt độ cao hơn so với một điện trở, một dòng điện có thể được truyền hướng đến thành phần mát hơn. Bằng ý tưởng này, Capasso đã gợi ý rằng các ăng-ten nhỏ hướng lên trời có thể được dùng để làm mát khu vực chứa mạch điện, qua đó tạo ra các dòng định hướng theo lý thuyết của Gunn.
Theo một báo cáo được đăng tải trên tạp chí Proceedings of the National Academy of Sciences, một thiết bị dạng đĩa mỏng có thể được phủ ngoài với các mạch điện nhỏ, đặt hướng lên trời và có thể dùng để tạo ra điện. Những cải tiến về công nghệ điện tử siêu nhỏ, các vật liệu mới như graphene và công nghệ chế tạo nano có thể hiện thực hóa hệ thống này.
Byrnes nói: "Chúng ta đã nghiên cứu công nghệ diode hồng ngoại trong suốt 50 năm qua mà không có nhiều tiến bộ. Vì vậy, những cải tiến điển hình như công nghệ chế tạo nano là yếu tố cơ bản để khiến diode hồng ngoại tốt hơn, có tỉ lệ lớn hơn và có thể tái sản xuất được nhiều hơn." Ông cũng thừa nhận rằng các diode hiện tại bị giới hạn về khả năng hoạt động ở điện áp thấp. Ông nói: "Nếu có càng nhiều năng lượng được truyền qua trong một mạch đơn, các thành phần trong hệ thống càng dễ thực hiện các chức năng mong muốn. Nếu bạn khai thác năng lượng từ bức xạ hồng ngoại, điện áp sẽ rất thấp. Điều này có nghĩa rất khó để tạo ra một loại diode hồng ngoại có thể hoạt động hiệu quả."
Tuy nhiên, với những loại diode mới hiện đang được thiết kế để làm việc với các điện áp thấp chẳng hạn như diode đường hầm (tunnel diode) hay diode đạn đạo, thách thức này có thể sớm được giải quyết. Nhóm nghiên cứu cũng gọi ý rằng trở kháng của các thành phần mạch điện có thể tăng lên để nâng điện áp lên một cấp độ thực tiễn hơn.
Một khó khăn khác là tốc độ, theo Byrnes: "Chỉ có 1 loại diode có thể đóng mở với tốc độ 30 nghìn tỉ lần mỗi giây, đủ để tiếp nhận tín hiệu hồng ngoại. Chúng tôi cần giải quyết vấn đề về tốc độ yêu cầu cùng lúc với vấn đề điện áp và trở kháng. Giờ đây, chúng tôi đã hiểu rõ hơn về những ràng buộc và thông số và chúng tôi đang ở điều kiện thuận lợi để phát triển một giải pháp."
