Thiết bị hút nước ra khỏi không khí mỏng, thậm chí trong sa mạc

Trong khi nhiều nghiên cứu tập trung vào việc khử muối, một nhóm các nhà khoa học đã đưa ra giải pháp khả thi khác - thiết bị kéo nước sạch ra khỏi không khí mỏng, thậm chí ở những nơi có độ ẩm thấp tới 20%. Tất cả những gì cần là ánh sáng mặt trời.

Để rõ ràng, hiện nay các nhà khoa học chỉ sử dụng thiết bị nguyên mẫu và đã thử nghiệm trong tình huống khá hạn chế, nhưng cũng đã có kết quả được xuất bản trên Science.

Được gọi là “máy thu hoạch năng lượng mặt trời”, thiết bị được tạo ra bởi các đội từ MIT và Đại học California, Berkeley, sử dụng một loại vật liệu đặc biệt gọi là khung kim loại hữu cơ (MOF - metal-organic framework).

Một trong những nhà nghiên cứu, Omar Yaghi của UC Berkeley nói: "Đây là một bước đột phá lớn mang tính thách thức lâu dài trong việc thu hoạch nước từ không khí ở độ ẩm thấp.”

"Hiện nay không có cách nào khác để làm điều đó, ngoại trừ việc sử dụng thêm năng lượng. Máy hút ẩm ở nhà 'tạo ra' nước rất đắt.”

Hai phần ba dân số thế giới hiện đang thiếu nước sạch, nhưng ước tính có khoảng 13.000 nghìn tỷ lít nước trên thế giới hiện diện trong không khí xung quanh chúng ta.

Cho đến nay, thiết bị nguyên mẫu đã được thử nghiệm trong điều kiện có độ ẩm từ 20 đến 30%, và có thể kéo 2,8 lít nước từ không khí trong 12 giờ, sử dụng hết 1 kg MOF.

Các bài kiểm tra thành công cũng đã được tiến hành trên mái nhà của MIT, cho thấy nó hoàn toàn có thể hoạt động trong điều kiện thực tế.

Nhóm nghiên cứu nói rằng thiết bị này có thể dễ dàng được mở rộng để cung cấp cho các gia đình với nhu cầu nước ngọt của họ trong ngày.

Yaghi nói: "Một tầm nhìn cho tương lai là có nước ngoài mạng lưới nưới chúng ta đang dùng hiện nay, nơi bạn có một thiết bị ở nhà chạy bằng năng lượng mặt trời xung quanh để cung cấp nước đáp ứng đủ nhu cầu của một hộ gia đình.”

"Đối với tôi, điều đó sẽ có thể thực hiện được vì thí nghiệm này tôi gọi nó là nước cá nhân".

Yaghi đã làm việc về MOF đầu tiên cách đây hơn 20 năm. Không giống như các tấm kim loại thông thường, MOF là cấu trúc mà các kim loại như magiê hoặc nhôm được kết hợp với các phân tử hữu cơ trong một sắp xếp tạo ra các cấu trúc cứng nhắc, xốp lý tưởng để chứa khí hoặc chất lỏng.

Kể từ đó, đã có hơn 20.000 loại khung kim loại hữu cơ khác nhau được tạo ra bởi các nhà nghiên cứu trên khắp thế giới, và đã được sử dụng để thu giữ CO2 và lưu trữ các hóa chất như hydro hoặc khí mê-tan hiệu quả.

MOF được sử dụng trong máy thu hoạch năng lượng mặt trời, được trình bày ở trên, được tổng hợp vào năm 2014 và có chứa kim loại zirconium kết hợp với axit adipic, nó liên kết hơi nước.

Nhóm nghiên cứu của MIT sau đó đã lấy các tinh thể bụi của MOF này và nén chúng giữa một tấm hấp thụ năng lượng mặt trời và một tấm ngưng tụ, sau đó đặt toàn bộ vật thể trong một buồng đã được phơi ra ngoài không khí bên ngoài.

Bạn có thể thấy thiết bị bên dưới:

Khi không khí xung quanh khuếch tán qua các tinh thể MOF, các phân tử nước gắn với các bề mặt bên trong. Nghiên cứu nhiễu xạ tia X của hệ thống đã chỉ ra rằng các phân tử hơi nước thường tập trung thành các nhóm 8 phân tử, tạo thành các khối lập phương.

Ánh nắng sau đó làm nóng bộ MOF lên và đẩy nước bị thu vào đầu ngưng tụ, có cùng nhiệt độ với không khí bên ngoài. Hơi nước ngưng tụ như nước lỏng và nhỏ giọt vào bộ phận thu để cung cấp nước uống sạch.

Trưởng nhóm của MIT, Evelyn Wang, cho biết: "Công việc này mang lại một phương pháp mới để thu hoạch nước từ không khí, không đòi hỏi điều kiện độ ẩm cao và sử dụng năng lượng hiệu quả hơn nhiều so với các công nghệ hiện có khác.”

Mặc dù nghe khá là tuyệt, nhưng nhóm nghiên cứu thừa nhận vẫn có rất nhiều chỗ cần phải cải tiến và tinh chỉnh, làm cho thiết bị trở nên hiệu quả hơn.

Hiện tại, MOF chỉ có thể hấp thụ 20% trọng lượng nước, nhưng các vật liệu khác của MOF có khả năng hấp thụ hơn 40%.

Chất liệu cũng có thể được tinh chỉnh để có hiệu quả hơn ở mức độ độ ẩm cao hơn hoặc thấp hơn.

Yaghi Yaghi nói: "Chúng tôi không phải chỉ làm một thiết bị thụ động ngồi ở đó để thu gom nước, bây giờ chúng tôi đã đặt cả hai nền tảng lý thuyết và thực nghiệm để chúng tôi có thể sàng lọc các MOF khác và hàng nghìn sản phẩm có thể được sản xuất.”

"Có rất nhiều tiềm năng cho việc nhân rộng lượng nước đang thu hoạch, và đây chỉ là vấn đề cải tiến kỹ thuật hơn nữa. Để có nước liên tục, bạn có thể thiết kế một hệ thống hấp thụ độ ẩm vào ban đêm và phát triển nó trong suốt ngày ", ông nói thêm.

"Hoặc thiết kế bộ thu năng lượng mặt trời để cho tốc độ này nhanh hơn nhiều khi có thêm không khí vào. Chúng tôi muốn chứng minh rằng nếu bạn bị kẹt ở một nơi nào đó trên sa mạc, bạn vẫn có thể sống sót nhờ thiết bị này."

"Một người cần một lon nước giải khát Coke mỗi ngày, đó là cái mà người ta có thể thu thập trong vòng chưa đầy một giờ đồng hồ với hệ thống này."

Nghiên cứu này đã được công bố trên tạp chí Science.

Đỗ Nam