Các nhà khoa học vừa phát triển một thiết bị độc đáo có thể tạo ra năng lượng vào ban đêm mà không cần nhiên liệu, bằng cách khai thác sự chênh lệch nhiệt độ giữa Trái Đất và không gian vũ trụ. Công nghệ này mở ra hướng tiếp cận mới trong việc tận dụng các nguồn năng lượng tự nhiên, đặc biệt trong bối cảnh nhu cầu về các giải pháp năng lượng sạch và bền vững ngày càng gia tăng.

Thiết bị được phát triển bởi nhóm kỹ sư tại University of California, Davis (UC Davis). Thay vì dựa vào ánh sáng Mặt Trời hay nhiên liệu hóa thạch, hệ thống này tận dụng nhiệt lượng từ mặt đất và cái lạnh sâu của không gian, từ đó tạo ra năng lượng cơ học để vận hành các thiết bị nhỏ như quạt hoặc hệ thống thông gió vào ban đêm.

Khai thác sự chênh lệch nhiệt độ giữa Trái Đất và vũ trụ

Công trình nghiên cứu do giáo sư Jeremy Munday thuộc khoa Kỹ thuật điện và máy tính của UC Davis dẫn đầu. Ông và cộng sự đã phát triển một thiết bị thử nghiệm có khả năng tạo ra năng lượng cơ học từ sự chênh lệch nhiệt độ giữa bề mặt Trái Đất và không gian sâu khi đặt ngoài trời vào ban đêm.

Thiết bị này thuộc loại máy gọi là Stirling engine, một dạng động cơ nhiệt có khả năng chuyển đổi chênh lệch nhiệt độ thành chuyển động cơ học. Khác với động cơ đốt trong - vốn cần sự chênh lệch nhiệt độ lớn để hoạt động hiệu quả - động cơ Stirling có thể vận hành chỉ với mức chênh lệch nhiệt độ nhỏ.

Theo giáo sư Munday, sự khác biệt nhiệt độ cần thiết có thể chỉ tương đương khoảng chênh giữa một tách cà phê nóng và không khí xung quanh. Chính khả năng hoạt động với mức chênh lệch nhiệt độ nhỏ khiến loại động cơ này đặc biệt phù hợp với các nguồn nhiệt tự nhiên trong môi trường.

Thông thường, trong một hệ thống Stirling, một phía của động cơ được giữ nóng trong khi phía còn lại được làm lạnh. Sự chênh lệch nhiệt độ này làm piston chuyển động và tạo ra năng lượng cơ học. Tuy nhiên, nếu tất cả các bộ phận của động cơ có cùng nhiệt độ, hệ thống sẽ không thể tạo ra năng lượng.

Biến không gian sâu thành “nguồn lạnh”

Trong các hệ thống thông thường, sự chênh lệch nhiệt độ của động cơ Stirling được tạo ra bằng cách đốt nhiên liệu để làm nóng một phía của động cơ. Tuy nhiên, nhóm nghiên cứu tại UC Davis đã thử một cách tiếp cận khác: thay vì làm nóng, họ tận dụng cái lạnh cực độ của không gian sâu để tạo ra phía lạnh của động cơ.

Điểm đặc biệt là thiết bị không cần tiếp xúc trực tiếp với vũ trụ. Theo giáo sư Munday, hệ thống chỉ cần tương tác với không gian thông qua bức xạ nhiệt. Vào những đêm trời quang và khô, nhiệt từ bề mặt Trái Đất tự nhiên tỏa ra bầu trời và thoát ra không gian. Đây cũng chính là lý do khiến con người thường cảm thấy đầu lạnh hơn khi đứng ngoài trời vào ban đêm.

Nhóm nghiên cứu đã tận dụng hiện tượng tự nhiên này bằng cách thiết kế một hệ thống gồm động cơ Stirling đặt trên một tấm panel có khả năng phát xạ nhiệt mạnh. Khi đặt ngoài trời ban đêm, mặt đất cung cấp nhiệt cho một phía của động cơ, trong khi tấm panel phát xạ nhiệt lên bầu trời, khiến phía còn lại của động cơ trở nên lạnh hơn. Sự chênh lệch nhiệt độ này đủ để động cơ hoạt động.

Thử nghiệm ban đêm cho kết quả khả quan

Sau khoảng một năm thử nghiệm thực tế vào ban đêm, các nhà nghiên cứu phát hiện rằng thiết bị nhỏ gọn này có thể tạo ra ít nhất 400 miliwatt năng lượng cơ học trên mỗi mét vuông diện tích.

Trong các thử nghiệm trình diễn, động cơ đã được sử dụng để vận hành trực tiếp một chiếc quạt nhỏ. Ngoài ra, hệ thống cũng được kết nối với một động cơ điện nhỏ để tạo ra dòng điện.

Mặc dù mức công suất hiện tại còn khiêm tốn, kết quả này cho thấy bầu trời ban đêm có thể trở thành một nguồn năng lượng tiềm năng nếu được khai thác đúng cách.

Theo các nhà nghiên cứu, công nghệ này hoạt động hiệu quả nhất ở những khu vực khí hậu khô và bầu trời thường xuyên quang đãng, nơi bức xạ nhiệt từ mặt đất lên không gian diễn ra mạnh hơn.

Tiềm năng ứng dụng trong nông nghiệp và công trình

Trong tương lai, công nghệ này có thể được ứng dụng để thông gió nhà kính nông nghiệp, làm mát các công trình hoặc vận hành quạt thông gió mà không cần sử dụng điện lưới hay nhiên liệu hóa thạch.

Điều này đặc biệt hữu ích đối với các khu vực nông nghiệp hoặc vùng xa nơi nguồn điện còn hạn chế. Việc tận dụng nguồn năng lượng tự nhiên vào ban đêm cũng có thể giúp giảm chi phí năng lượng và giảm phát thải carbon.

Nghiên cứu đã được công bố trên tạp chí khoa học Science Advances. Hiện nay, UC Davis đã nộp đơn bằng sáng chế tạm thời cho công nghệ này, mở đường cho các bước phát triển và thương mại hóa trong tương lai.

Các nhà khoa học cho rằng, mặc dù công nghệ vẫn đang trong giai đoạn thử nghiệm, nhưng việc tận dụng sự chênh lệch nhiệt độ tự nhiên giữa Trái Đất và vũ trụ có thể mở ra một hướng đi hoàn toàn mới cho các hệ thống năng lượng quy mô nhỏ. Nếu tiếp tục được cải tiến, những thiết bị như vậy có thể trở thành một phần của các giải pháp năng lượng bền vững trong tương lai.

Hàm ý cho doanh nghiệp

Công nghệ khai thác sự chênh lệch nhiệt độ giữa Trái Đất và không gian để tạo năng lượng vào ban đêm cho thấy những hướng tiếp cận mới trong lĩnh vực năng lượng phân tán và công nghệ xanh. Mặc dù công suất hiện tại của thiết bị còn nhỏ, nhưng nguyên lý này mở ra nhiều cơ hội cho doanh nghiệp trong các ngành công nghệ, năng lượng và nông nghiệp.

Trước hết, các doanh nghiệp trong lĩnh vực thiết bị năng lượng, cơ khí chính xác và hệ thống nhiệt có thể nghiên cứu phát triển các phiên bản thương mại của động cơ Stirling engine với kích thước nhỏ gọn và chi phí thấp. Những thiết bị này có thể được tích hợp vào các hệ thống thông gió, làm mát thụ động hoặc phát điện công suất nhỏ cho nhà kính, trang trại, nhà kho hoặc các công trình ở khu vực xa lưới điện.

Thứ hai, công nghệ này mở ra cơ hội cho các doanh nghiệp hoạt động trong lĩnh vực nông nghiệp công nghệ cao. Các hệ thống nhà kính thường cần thông gió và điều chỉnh nhiệt độ vào ban đêm để bảo vệ cây trồng. Việc sử dụng thiết bị khai thác năng lượng từ bầu trời ban đêm có thể giúp giảm chi phí điện năng và tăng tính bền vững của mô hình sản xuất nông nghiệp.

Bên cạnh đó, xu hướng phát triển các giải pháp năng lượng phi truyền thống từ các trường đại học và viện nghiên cứu, như tại UC Davis, cho thấy doanh nghiệp có thể chủ động hợp tác với các tổ chức nghiên cứu để tiếp cận sớm các công nghệ mới. Việc tham gia vào quá trình thử nghiệm, phát triển sản phẩm và thương mại hóa có thể giúp doanh nghiệp chiếm lợi thế trong các thị trường công nghệ năng lượng mới.

Về dài hạn, khi các hệ thống năng lượng tái tạo ngày càng đa dạng, những công nghệ có khả năng tạo năng lượng liên tục cả ngày lẫn đêm sẽ trở thành yếu tố quan trọng trong việc tối ưu hóa hệ thống năng lượng. Do đó, doanh nghiệp trong lĩnh vực năng lượng, thiết bị công nghiệp và công nghệ môi trường có thể xem đây là một hướng nghiên cứu và đầu tư tiềm năng nhằm đón đầu các xu hướng năng lượng bền vững trong tương lai.

N.M.P (NASTIS), sciencedaily.com