Các nhà khoa học vẫn đang nghiên cứu phát triển quá trình quang hợp nhân tạo để sản sinh ra điện và gần đây, các nhà nghiên cứu thuộc đại học Stanford đã thành công trong việc sử dụng nguồn năng lượng trực tiếp từ thực vật theo cách chúng chuyển đổi ánh sáng thành năng lượng hóa học. Họ cho biết đây có thể là bước tiến đầu tiên hướng đến khả năng tạo ra nguồn năng lượng điện sinh vật hiệu năng cao mà không thải ra sản phẩm phụ là CO2.
Như đã biết, thực vật sử dụng phản ứng quang hợp để chuyển đổi năng lượng ánh sáng thành năng lượng hóa học và năng lượng này sẽ được lưu trữ dưới dạng đường để làm thực phẩm sinh tồn. Lạp lục là nơi quá trình quang hợp xảy ra, các tế bào năng lượng sẽ tạo ra đường và khiến lá cây có màu xanh. Trong lạp lục, nước được chia tách thành oxy, proton và electron. Ánh sáng mặt trời sẽ thâm nhập vào lạp lục và đẩy các electron lên mức năng lượng cao, sau đó, một protein sẽ nhanh chóng chộp lấy các electron này. Các electron sẽ được chuyển vào chuỗi protein và các protein liên tục thu nạp năng lượng của electron để tổng hợp đường cho đến khi hết electron.
Để khai thác hoạt động của electron trong một tế bào tảo, nhóm nghiên cứu đã phát triển một điện cực nano độc đáo và siêu sắc bén bằng vàng, có thiết kế đặc biệt để thăm dò bên trong tế bào. Trong thí nghiệm, các nhà nghiên cứu đã chặn các electron ngay sau khi chúng bị kích thích bởi ánh sáng và đạt mức năng lượng cao nhất. Họ đẩy các điện cực xuyên qua lớp màng vào trong lạp lục của tế bào tảo và hút dòng electron bằng ống xi phông để tạo ra một dòng điện nhỏ. Kết quả thu được cho thấy, mặc dù bị tác động nhưng tế bào vẫn sống và dòng điện sản sinh không giải thoát CO2 vào không khí. Thay vào đó, sản phẩm phụ của quá trình quang hợp chỉ là proton và oxy.
Theo tác giả bài báo cáo nghiên cứu chi tiết WonHyoung Ryu: "Đây là nguồn năng lượng sạch nhất và rất có tiềm năng, tuy nhiên câu hỏi đặt ra là liệu có khả thi về phương diện kinh tế hay không?" Ryu nói rằng với mỗi tế bào, các nhà nghiên cứu chỉ có thể thu được dòng điện có cường độ 1 pico ampere (1 pico ampere = 10^-12 ampere). Dòng điện thu được là quá nhỏ bé, do đó họ cần 1 tỉ tỉ tế bào quang hợp trong 1 giờ để đạt được điện năng bằng 1 pin AA.
Thêm vào đó, các tế bào sẽ chết sau 1 giờ: lỗ thủng siêu nhỏ trên màng bao tế bào gây ra bởi điện cực hoặc sự mất mát về năng lượng vốn được tế bào sử dụng để sinh tồn có thể giết chết chúng. Vì vậy, bước tiếp theo mà các nhà khoa học phải thực hiện là làm sao điều chỉnh thiết kế của điện cực để gia tăng thời gian sống của tế bào.
Quá trình trên không cần đến sự đốt cháy mà đơn giản chỉ khai thác một phần năng lượng lưu trữ trong thực vật và theo Ryu thì việc thu hoạch các electron theo cách này sẽ hiệu quả hơn so với việc đốt cháy nhiên liệu sinh học. Đối với hầu hết thực vật được đốt cháy làm nhiên liệu thì electron tích trữ chỉ vào khoảng 3 đến 6% so với năng lượng mặt trời (các tế bào quang điện mặt trời hiện nay có hiệu suất từ 15 đến 40%). Qua thí nghiệm, Ryu cho biết lượng electron thu thập được đạt hiệu suất khoảng 20% nhưng về lý thuyết mà nói thì hiệu suất có thể đạt đến 100% vào một ngày nào đó trong tương lai.
Những bước tiến khả thi tiếp theo là các nhà nghiên cứu có thể sử dụng một loại thực vật với lạp lục lớn hơn để mở rộng phạm vi thu hoạch electron và một điện cực lớn hơn cũng sẽ được thiết kế để lấy thêm electron. Với loài thực vật có tuổi đời dài và khả năng thu thập electron tốt hơn, nhóm nghiên cứ hoàn toàn có thể cân bằng quá trình trên, Ryu cho biết.
Như đã biết, thực vật sử dụng phản ứng quang hợp để chuyển đổi năng lượng ánh sáng thành năng lượng hóa học và năng lượng này sẽ được lưu trữ dưới dạng đường để làm thực phẩm sinh tồn. Lạp lục là nơi quá trình quang hợp xảy ra, các tế bào năng lượng sẽ tạo ra đường và khiến lá cây có màu xanh. Trong lạp lục, nước được chia tách thành oxy, proton và electron. Ánh sáng mặt trời sẽ thâm nhập vào lạp lục và đẩy các electron lên mức năng lượng cao, sau đó, một protein sẽ nhanh chóng chộp lấy các electron này. Các electron sẽ được chuyển vào chuỗi protein và các protein liên tục thu nạp năng lượng của electron để tổng hợp đường cho đến khi hết electron.
Để khai thác hoạt động của electron trong một tế bào tảo, nhóm nghiên cứu đã phát triển một điện cực nano độc đáo và siêu sắc bén bằng vàng, có thiết kế đặc biệt để thăm dò bên trong tế bào. Trong thí nghiệm, các nhà nghiên cứu đã chặn các electron ngay sau khi chúng bị kích thích bởi ánh sáng và đạt mức năng lượng cao nhất. Họ đẩy các điện cực xuyên qua lớp màng vào trong lạp lục của tế bào tảo và hút dòng electron bằng ống xi phông để tạo ra một dòng điện nhỏ. Kết quả thu được cho thấy, mặc dù bị tác động nhưng tế bào vẫn sống và dòng điện sản sinh không giải thoát CO2 vào không khí. Thay vào đó, sản phẩm phụ của quá trình quang hợp chỉ là proton và oxy.
Theo tác giả bài báo cáo nghiên cứu chi tiết WonHyoung Ryu: "Đây là nguồn năng lượng sạch nhất và rất có tiềm năng, tuy nhiên câu hỏi đặt ra là liệu có khả thi về phương diện kinh tế hay không?" Ryu nói rằng với mỗi tế bào, các nhà nghiên cứu chỉ có thể thu được dòng điện có cường độ 1 pico ampere (1 pico ampere = 10^-12 ampere). Dòng điện thu được là quá nhỏ bé, do đó họ cần 1 tỉ tỉ tế bào quang hợp trong 1 giờ để đạt được điện năng bằng 1 pin AA.
Thêm vào đó, các tế bào sẽ chết sau 1 giờ: lỗ thủng siêu nhỏ trên màng bao tế bào gây ra bởi điện cực hoặc sự mất mát về năng lượng vốn được tế bào sử dụng để sinh tồn có thể giết chết chúng. Vì vậy, bước tiếp theo mà các nhà khoa học phải thực hiện là làm sao điều chỉnh thiết kế của điện cực để gia tăng thời gian sống của tế bào.
Quá trình trên không cần đến sự đốt cháy mà đơn giản chỉ khai thác một phần năng lượng lưu trữ trong thực vật và theo Ryu thì việc thu hoạch các electron theo cách này sẽ hiệu quả hơn so với việc đốt cháy nhiên liệu sinh học. Đối với hầu hết thực vật được đốt cháy làm nhiên liệu thì electron tích trữ chỉ vào khoảng 3 đến 6% so với năng lượng mặt trời (các tế bào quang điện mặt trời hiện nay có hiệu suất từ 15 đến 40%). Qua thí nghiệm, Ryu cho biết lượng electron thu thập được đạt hiệu suất khoảng 20% nhưng về lý thuyết mà nói thì hiệu suất có thể đạt đến 100% vào một ngày nào đó trong tương lai.
Những bước tiến khả thi tiếp theo là các nhà nghiên cứu có thể sử dụng một loại thực vật với lạp lục lớn hơn để mở rộng phạm vi thu hoạch electron và một điện cực lớn hơn cũng sẽ được thiết kế để lấy thêm electron. Với loài thực vật có tuổi đời dài và khả năng thu thập electron tốt hơn, nhóm nghiên cứ hoàn toàn có thể cân bằng quá trình trên, Ryu cho biết.
Nguồn: Gizmag