Các nhà nghiên cứu vừa tạo ra một loại vật liệu tổng hợp mới có thể dùng để chế tạo một loại pin đặc biệt: có thể lưu trữ năng lượng Mặt Trời rồi phát ra bất cứ lúc nào với lượng mức theo ý muốn.

Các nước đang phát triển là những nơi được Mặt Trời chiếu sáng rất nhiều vào thời gian ban ngày. Tuy nhiên, tại đây, năng lượng Mặt Trời ít được khai thác và không có những thiết bị trữ năng lượng rẻ tiền nào có thể lưu được năng lượng Mặt Trời dùng cho buổi tối.

Kết quả là những bữa tối ở đây thường được nấu bằng than, củi, khí ga trong khi năng lượng Mặt Trời chỉ được sử dụng để cung cấp điện năng vào ban ngày. Điều này khiến những nỗ lực trong việc phổ biến năng lượng Mặt Trời trở nên vô nghĩa.

Tiến sĩ Grace Han đang cầm trên tay vật liệu hóa học mới được dùng làm pin trữ năng lượng nhiệt rất hiệu quả. (Ảnh: Melanie Gonick/MIT).

Nhưng mới đây, các nhà nghiên cứu tại Viện nghiên cứu Công nghệ Massachusetts (MIT) đã phát triển một loại vật liệu hóa học tổng hợp mới. Loại vật liệu này có thể được dùng để trữ năng lượng Mặt Trời thu được trong ngày thành một loại pin nhiệt, và giải phóng năng lượng ra khi cần thiết. Loại pin này có thể được dùng để nấu ăn hoặc đun nước vào buổi tối.

Cách lưu trữ năng lượng của loại pin này chính là sử dụng vật liệu đổi trạng thái (PCM): khi nguồn nhiệt đưa vào, nó sẽ làm nóng vật liệu và sẽ biến dạng từ thể rắn sang thể lỏng để có thể lưu được năng lượng. Khi mà vật liệu PCM được làm mát xuống dưới điểm nhiệt nóng chảy, nó trở lại thành một vật thể rắn, lúc bấy giờ năng lượng lưu trữ sẽ được giải phóng dưới dạng nhiệt.

Có rất nhiều chất khác cũng là vật liệu thay đổi trạng thái, như sáp hoặc acid béo được sử dụng trong các phản ứng nhiệt độ thấp, hay muối nóng chảy được sử dụng ở các phản ứng nhiệt độ cao. Tuy nhiên, tất cả các vật liệu PCM hiện nay đều cần một chất cách nhiệt bọc xung quanh, vì các vật liệu khi thay đổi trạng thái một cách không kiểm soát sẽ bị mất nhiệt tương đối nhanh.

Thay vào đó, vật liệu mới của các nhà nghiên cứu sử dụng một bộ thay đổi phân tử, nó sẽ thay đổi hình dạng khi phản ứng với ánh sáng. Khi được tích hợp vào vật liệu PCM, nhiệt độ khiến thay đổi trạng thái sẽ được thay bằng ánh sáng, điều này giúp vật chất chuyển được trạng thái ở mức nhiệt độ thấp hơn so với mức nhiệt độ nóng chảy ban đầu.

Quá trình thay đổi trạng thái của vật chất từ rắn sang lỏng để hấp thụ nhiệt và từ lỏng sang rắn để giải phóng năng lượng. (Ảnh: MIT).

Nghiên cứu này được tiến hành bởi tiến sĩ Grace Han và Huashan Li cùng Giáo sư Jeffrey Grossman, đã được công bố trên tạp chí Nature Communications.

“Khó khăn với vật liệu làm pin nhiệt chính là nhiệt độ cao khiến chúng thay đổi quá nhanh một cách không kiểm soát được. Vậy nên nhóm chúng tôi tiến hành thay đổi cấu trúc phân tử để chúng chỉ bị tác động bởi ánh sáng chứ không phải nhiệt độ cao, qua đó nó có thể trữ pin hoặc giải phóng năng lượng bằng cách kích hoạt nguồn sáng”, Grossman giải thích.

Để tạo ra được loại vật chất mới này, các nhà nghiên cứu đã kết hợp các acid béo với một hợp chất hữu cơ, giúp nó phản hồi được sự tương tác của ánh sáng. Bằng sự kết hợp này, những thành phần nhạy sáng sẽ thay đổi tính chất tiếp xúc nhiệt của các thành phần khác trong khối vật chất, khiến cả khối sẽ có khả năng tương tác được với ánh sáng.

Vật liệu mới này có thể hấp thu nhiệt từ bất cứ nguồn phát nhiệt nào chứ không nhất thiết là từ Mặt Trời. “Những nguồn nhiệt luôn có sẵn ở quanh ta. Mục đích của nghiên cứu này chính là sử dụng nguồn nhiệt từ quá trình công nghiệp, từ xe cộ lưu thông trên đường... để tránh lãng phí chúng”, tiến sĩ Han cho biết.

Loại pin này có thể trữ được năng lượng trong vòng 10 giờ, so với các thiết bị có kích thước nhỏ tương tự thì chỉ lưu được vài phút. Ngoài ra, mật độ năng lượng lưu trữ được cũng rất lớn. Nhiệt độ thấp nhất mà thiết bị vẫn có thể chịu được để giữ nhiệt bên trong là 10 độ C.

Sản phẩm mới này đang được các nhà đầu tư ở Ấn Độ chú ý đến. Quốc gia tỷ dân này là một nơi nằm gần xích đạo, nhận được rất nhiều ánh sáng Mặt Trời và từ lâu nổi tiếng với tỷ lệ sử dụng năng lượng Mặt Trời ở các hộ gia đình rất cao. Hiện các nhà nghiên cứu đang tiến hành hoàn thiện để sớm thương mại hóa sản phẩm hữu ích này.