Khi thị trường thu hồi nhiệt thải để phát điện được dự báo đạt gần 30 tỷ USD vào năm 2025 với tốc độ tăng trưởng hơn 10% mỗi năm, cùng xu hướng cảm biến IoT không dùng pin ngày càng phổ biến, các công nghệ tạo điện từ nhiệt năng môi trường đang thu hút sự quan tâm đặc biệt.
Cảm biến IoT không dùng pin là các thiết bị thông minh có khả năng tự thu năng lượng từ ánh sáng, nhiệt hoặc sóng radio. Chúng thân thiện với môi trường, ít phải bảo trì và phù hợp cho các hệ thống nhà thông minh, đô thị thông minh.
Một trong những người tiên phong trong lĩnh vực này là tiến sĩ Nguyễn Minh Hoàng, với công trình công bố năm 2018 trên tạp chí khoa học Nano Energy. Nghiên cứu đã chứng minh lần đầu tiên rằng có thể tạo điện ở nhiệt độ phòng bằng công nghệ thermionic nanofluid, một hướng tiếp cận mới của năng lượng sạch.
Công nghệ này sử dụng chất lỏng chứa các hạt nano giúp electron thoát khỏi bề mặt kim loại ở nhiệt độ thấp hơn nhiều so với thông thường, từ đó tạo ra dòng điện mà không cần nung nóng vật liệu.
Trong bối cảnh thế giới tìm lời giải cho bài toán năng lượng và khí hậu, tiến sĩ Hoàng vẫn kiên trì theo đuổi hướng nghiên cứu tưởng như khó khả thi. "Chúng ta đang để thất thoát năng lượng nhiệt mỗi ngày," anh nói. "Nếu tận dụng được nguồn nhiệt đó, Việt Nam có thể tiến nhanh hơn trong giảm phát thải và chuyển đổi xanh."
Trong nhiều thập kỷ, cộng đồng khoa học tin rằng phát xạ nhiệt điện tử chỉ tạo được dòng điện đáng kể khi kim loại bị nung nóng trên 1.000°C. Tại Viện Khoa học và Công nghệ Tiên tiến Quốc gia Nhật Bản (AIST), tiến sĩ Hoàng đã phát triển thiết bị dùng chất lỏng nano để tạo dòng điện ở nhiệt độ phòng, vượt qua giới hạn của định luật Richardson–Dushman tồn tại hơn 100 năm. Các hạt nano giúp giảm rào thế phát xạ và tạo ra mật độ dòng điện cao hơn 40–60 bậc độ lớn so với lý thuyết.
Ban đầu, nhóm nghiên cứu còn nghi ngờ vì tín hiệu xuất hiện ở nhiệt độ thấp bất thường. Tuy nhiên, kết quả đã nhanh chóng thu hút sự quan tâm lớn của giới khoa học và sau đó đặt nền tảng cho tám bằng sáng chế tại Hoa Kỳ.
Kết quả nghiên cứu: dòng điện thu được ở nhiệt độ phòng và 60°C (đường xanh), cao hơn lý thuyết khoảng 40–60 bậc. Hình (b) mô tả rào thế thấp hỗ trợ electron thoát ra. (Nguồn: Nano Energy, 2018)
Triển vọng thu hồi nhiệt thải
Nghiên cứu thực hiện tại AIST cùng tiến sĩ Jian Lu và công bố trên Nano Energy, một trong những tạp chí uy tín hàng đầu về công nghệ nano và năng lượng. Theo tiến sĩ Hoàng, công nghệ này có thể được ứng dụng để tái sử dụng nhiệt thải trong ngành thép, xi măng, nhiệt điện; cấp điện cho cảm biến và thiết bị đo lường; giảm nhu cầu sử dụng pin và tăng hiệu suất pin mặt trời.
"Chỉ cần tận dụng được 1–2% lượng nhiệt đang bị bỏ phí, chúng ta đã có thể tạo ra nguồn điện bổ sung đáng kể," anh nói. Anh kỳ vọng có thể hợp tác với doanh nghiệp trong nước để thử nghiệm mô-đun thu hồi nhiệt tại Việt Nam.
Hành trình của một nhà khoa học Việt
Anh Hoàng tốt nghiệp ngành Vật lý tại Trường Đại học Khoa học Tự nhiên (ĐHQG TP HCM), nhận bằng Thạc sĩ tại Đại học Amsterdam (2006) và bằng Tiến sĩ Vật lý – Công nghệ Nano tại Đại học Công nghệ Delft (Hà Lan) năm 2012.
Sau đó, anh tiếp tục làm nghiên cứu tại Đại học Delft, Đại học New South Wales (Australia) và AIST (Nhật Bản). Anh có gần hai thập kỷ kinh nghiệm trong lĩnh vực nhiệt thải, năng lượng và vật lý ứng dụng, đồng thời hợp tác với nhiều chuyên gia hàng đầu thế giới.
Dù còn nhiều thách thức để triển khai ở quy mô lớn, đột phá năm 2018 mở ra hướng đi mới cho ngành năng lượng: các thiết bị nhỏ gọn, chi phí thấp, tận dụng nhiệt môi trường để tạo điện và giảm phụ thuộc vào pin. Tiến sĩ Hoàng kỳ vọng sự hợp tác giữa viện nghiên cứu, trường đại học và doanh nghiệp Việt Nam sẽ giúp công nghệ này sớm được thử nghiệm thực tế.