Cho đến nay, để laptop hoạt động được người ta phải nạp điện lưới vào bình ác-quy. Theo Sven Kerzenmacher và Johannes Gescher thì chỉ vài năm nữa điều này sẽ là không cần thiết. Khi đó mỗi laptop chứa một tế bào nhiên liệu để sản sinh ra điện với sự hỗ trợ của hàng triệu triệu vi sinh vật bơi lội trong một bể dung dịch dinh dưỡng sinh học.
Chuyên gia vi hệ thống (Mikrosystem) Kerzenmacher và nhà sinh vật học Gescher thuộc Đại học Freiburg (Đức) đã 3 năm nung nấu ý tưởng tạo ra điện sinh học. Đối tượng nghiên cứu là vi khuẩn Shewanella có thể sống và phát triển trong nước biển, nước ngọt và nước lợ. Điều mấu chốt là trong quá trình tiêu hóa chất đường hoặc rác thải sinh học vi khuẩn thải ra những điện cực dư thừa từ cơ thể đơn bào của chúng. Những điện cực này có thể thu lại nếu ta cho hai điện cực ở hai đầu một sợi dây dẫn, từ đó điện cực có thể dịch chuyển trên sợi dây này. Hai nhà khoa học hy vọng thông qua nguyên tắc này phát triển một loại pin xanh mới. Bộ Nghiên cứu Liên bang Đức rất tâm đắc với ý tưởng về loại nhà máy điện xanh mini này và hỗ trợ dự án 1,3 triệu Euro.
|
Tảo có thể sản sinh ra điện (Ảnh minh họa)
|
Nguồn năng lượng xanh trong tương lai
Hai nhà khoa học trên dự kiến trong 3 năm tới sẽ trình diễn một nhà máy điện xanh với công xuất từ 5 đến 10 W, lượng điện này đủ đáp ứng nhu cầu năng lượng điện của một hộ gia đình 4 người. Nhà máy này có dung tích tương đương một cái tủ lạnh.
Nguồn năng lượng xanh trong tương lai có sức lôi cuốn mạnh mẽ các nhà nghiên cứu cũng như nhiều doanh nghiệp trên thế giới. Loại vi sinh vật đơn bào này không những có thể sản xuất ra điện mà tùy theo cách nuôi chúng, như cho ăn loại thức ăn gì, chiếu sáng như thế nào, độ thông khí ra sao một số loại có thể sản sinh ra một khối lượng lớn dầu đốt, cồn và hydro, những chất rất cần cho hoạt động giao thông trong tương lai.
Tế bào quang điện trong tương lai
Ưu điểm chính của loại vi sinh vật này là rất dễ nuôi, có thể phát triển trong các bồn nước mặn ở ven biển hoặc nuôi trong một hệ thống ống ở vùng bán sa mạc nhiều nắng gió. Khác với các loại cây trồng như ngô, mía, cải dầu hay cọ dầu, khi dùng để sản xuất nhiên liệu thường gây áp lực cạnh tranh đối với ngành sản xuất lương thực, thực phẩm, vi sinh vật không cạnh tranh với bất cứ loại cây trồng nào.
Hiện nay, hàm lượng dầu được chiết lọc từ tảo cao hơn nhiều so với các loại cây có dầu truyền thống như cải dầu hoặc cọ dầu. Kết quả nghiên cứu của Thomas Renaud, nhà phân tích thuộc New Yorker Research-Unternehmen Arrowhead BID, thì một ha trồng ngô trong 1 năm sản xuất được 170 lít dầu, cải dầu 1200 lít và cọ dầu gần 6000 lít. Trong khi đó, cũng theo Renaud, 1 ha tảo có thể sản sinh từ 47.000 đến 140.000 lít dầu.
Ông Renaud dự báo thị trường tảo sẽ phát triển mang tính bùng nổ như thời kỳ đầu của ngành công nghiệp diesen-sinh học: Thị trường dầu tảo trên thế giới đến năm 2020 sẽ đạt doanh số 970 triệu Euro “Con số này cho thấy mức tăng trưởng hằng năm là 72 %”.
Một loạt doanh nghiệp tảo đã hình thành trên khắp thế giới đều đang tìm những giải pháp kỹ thuật tối ưu để khai thác tối đa công suất của loài vi sinh vật này. Tảo cũng thuộc diện trung tính về khí hậu. Lượng khí carbondioxyd (CO) mà chúng tích lũy tương ứng với lượng CO2 được giải phóng khi nhiên liệu tảo đốt động cơ hay turbin.
Tảo tận dụng sự trao đổi chất sinh học
Nguyên nhân ở đây chính là cơ chế sinh học đã diễn ra từ hàng triệu năm, cơ chế đó cho phép vi sinh vật có thể hấp thu ánh sáng biến thành năng lượng, đó là quá trình quang hợp (Fotosynthese). Cũng như các loài thực vật khác, tảo cũng tận dụng sự trao đổi chất sinh học này: dùng chất diệp lục để hấp thụ ánh sáng mặt trời và biến thành dạng có thể lưu giữ được. Ngoài ánh sáng Mặt trời tảo cần có nước và một lượng lớn CO2, thủ phạm chính gây hiệu ứng nhà kính và biến đổi khí hậu.
Nuôi tảo trong bể nhựa
Dùng vi khuẩn triệt tiêu khí thải CO2 hiệu quả hơn so với biện pháp bơm CO2 vào trong lòng đất. Nhiều nhà quản lý nhà máy nhiệt điện đã ý thức được vấn đề này.
Hãng cung cấp điện khổng lồ của Thụy Điển Vattenfall hơn một năm nay phối hợp với nhà máy nhiệt điện Senftenberg của Đức thử nghiệm nuôi loại tảo xanh Scenedesmus obliquus trong lò phản ứng sinh học làm bằng chất dẻo trong suốt. Người ta thu hoạch sinh khối tảo này để tiếp tục chế biến thành nhiên liệu sinh học hay khí sinh học (biogas).
Tập đoàn cung cấp điện RWE hợp tác với nhà máy nhiệt điện chạy bằng than nâu ở gần Koeln và hãng công nghệ sinh học Brain tiến hành thí nghiệm nuôi tảo bằng CO2.
Mục tiêu của dự án là dùng vi sinh vật tạo ra nhiên liệu sinh học, nhiên liệu này có thể tích chứa trong tế bào của chúng hoặc tốt hơn là chứa ngay trong nước nơi tảo sinh sống. So với dự án Vattenfall dự án RWE có cái hay là khi thu hoạch không cần thu gom tảo để đưa ra khỏi lò phản ứng để nghiền nát chúng. Chúng trực tiếp sản sinh ra nhiên liệu.
Tuy nhiên cái khó ở đây là phải tìm ra loại vi sinh vật có thể chịu được loại khí thải chưa xử lý của các nhà máy điện. Vì bên cạnh khí CO2 là thức ăn cho tảo còn lẫn một số loại khí độc hại khác như sulfua- và nitơ-oxyd.
Hãng công nghệ sinh học Brain ở Đức nghiên cứu sâu về vấn đề này. Giám đốc hãng là Holger Zinke từ nhiều năm nay chuyên nghiên cứu về các loại vi sinh vật có những tính chất đặc biệt như: các loại vi sinh vật sống trong điều kiện cực kỳ khắc nghiệt như ở vùng biển sâu có núi lửa, vùng biển có băng hà hay trong nước thải của hầm mỏ chứa lưu huỳnh vv…Zinke và cộng sự đã tận dụng các đặc tính di truyền của những loại vi khuẩn này biến chúng thành những cái gọi là Designer-Organismen để nuôi chúng trong các bể tảo, từ đó tạo ra dầu, cồn sinh học (Bioalkohole Ethanol hay Methanol). .
Nhà khoa học và là chủ doanh nghiệp người Mỹ Craig Venter cũng nghiên cứu sâu về lĩnh vực này. Cách đây hơn 10 năm nhà khoa học này đã thành công xuất sắc trong việc giải mã gene ở người và thành lập hãng Synthetic Genomics ở La Jolla ở California.
Các tập đoàn dầu mỏ cũng đặc biệt quan tâm
Theo Venter tảo và vi khuẩn là nguồn tạo ra loại nhiên liệu sinh học có thể thay thế dầu mỏ và than. Venter thậm chí còn thuyết phục tập đoàn dầu mỏ BP của Anh làm nhà đầu tư nghiên cứu. Cách đây 2 năm, ông cũng ký thỏa thuận hợp tác nghiên cứu nhiều năm với tập đoàn năng lượng ExxonMobil. Mục tiêu của Venter là cùng với đội ngũ 400 nhà nghiên cứu phát triển thế hệ tiếp theo về nhiên liệu sinh học trên cơ sở loại tảo quang hợp.
Tuy nhiên, ngày nay Venter hay Zinke không còn là những nhà nghiên cứu duy nhất về nhiên liệu sinh học. Thí dụ, hãng Algenol ở Florida nuôi tảo trong những hệ thống ống khổng lồ chứa nước biển, loại tảo này sản sinh Ethanol nguyên chất và thải chúng thẳng vào nước.
Sapphire Energy ở San Diego nuôi tảo tạo ra dầu trong những bể mở cỡ lớn ở vùng sa mạc. Chúng được thu hoạch để ép lấy dầu chế biến thành xăng thông thường hay nhiên liệu cho máy bay. Vào mùa thu năm 2009 ,Sapphire đã dùng nhiên liệu tảo của mình là Algenol cho chiếc xe Toyota Prius chạy xuyên Mỹ. Nhà sáng lập hãng Microsoft tỷ phú Bill Gates cũng tham gia đầu tư vào doanh nghiệp này.
Theo chuyên gia Denis thuộc hãng tư vấn McKinsey thì vị trí lý tưởng để sản xuất năng lượng từ tảo là những vùng khô hạn đến mức các loại cây trồng thông thường không thể sống nổi. Đây là lí do nhiều doanh nghiệp còn non trẻ nhưng phát triển mạnh mẽ ở vùng Địa trung hải như Bio Fuel Systems ở Tây Ban Nha hay UniVerve Biofuel ở Israel.
Tại Trung và Đông Âu trong điều kiện số giờ có ánh sáng Mặt Trời không nhiều, các nhà nghiên cứu Đức tìm cách tách chiết từ tảo để lấy các loại chất béo và protein quý hiếm phục vụ ngành công nghiệp dược phẩm hoặc công nghiệp hóa chất sau đó tiến hành lên men lấy biogas. Họ còn nghiên cứu các giải pháp hoàn toàn mới để khai thác vi sinh vật một cách hiệu quả nhất, thí dụ sử dụng Modul-solar-hai ngăn, nuôi hai loại vi sinh vật hoàn toàn khác nhau, và kết quả cuối cùng là chế tạo ra khí methanol.
Quang hợp để tạo ra hydro
Nghiên cứu của các nhà khoa học thuộc đại học Bielefeld (Đức) đối với tảo xanh Chlamydomonas reinhardtii cho thấy thông qua quang hợp nó có thể sản sinh ra khí hydro. Loại khí này được coi là nguồn năng lượng trong tương lai vì quá trình đốt hydro tạo ra điện mà không hình thành CO2 và Hydro không có trong tự nhiên. Thường để điều chế hydro phải tiêu hao một lượng năng lượng rất lớn. Tuy nhiên, đối với tảo thì hydro lại là khí thải tự nhiên.
Tế bào nhiên liệu sống
Sẽ đơn giản hơn nếu tảo hoặc vi khuẩn trực tiếp sản sinh ra điện, tương tự như những tế bào nhiên liệu sống của các nhà nghiên cứu Kerzenmacher và Gescher. Nhưng điều này thật không đơn giản. Từ năm 1912 người ta đã biết về một vài loại vi sinh vật có thể sản sinh ra điện. Nhưng ngoài việc thử ứng dụng trong ngành nghiên cứu vũ trụ những năm 70 cho đến nay chưa có ai tiến hành nghiên cứu nghiêm túc để tận dụng nguồn điện này. Đây chính là điều mà hai nhà khoa học Kerzenmacher và Gescher muốn thay đổi.
Điều tuyệt vời trong ý tưởng là: Những loại vi khuẩn có khả năng tung điện cực từ tế bào của chúng ra môi trường bên ngoài không phải là hiếm, đặc biệt trong các loại nước thải sinh học. Theo Kerzenmacher thì: “Về nguyên tắc chỉ cần thò hai thanh grafit vào những vị trí khác nhau trong bể nước thải, một lúc sau sẽ xuất hiện các loại vi khuẩn khác nhau, lúc đó người ta có thể biến nước thải này thành điện”.