Việc quan sát những nguồn năng lượng tự nhiên đem lại nhiều hứng thú. Mặc dù có lẽ chúng ta hiểu rõ định luật hấp dẫn, ít ai đặt câu hỏi: lúc đầu – trước khi trái táo thành hình và tuân theo định luật hấp dẫn – những thành phần của nó đã bất chấp định luật ấy như thế nào. Chính cái nhìn mới mẻ về các lực tác động trong các hệ sinh thái đem lại cho chúng ta trạng thái tinh thần thích hợp để tìm những giải pháp lâu dài cho tình trạng khó khăn về năng lượng của chúng ta.
Trái dừa chứa đầy nước bằng cách nào? Nó không có bơm và cũng không tự hút nước mưa được. Cây dựng lên cái cấu trúc to lớn của nó như thế nào? Làm sao sức thẩm thấu trong cây có thể mạnh hơn lực hút của trái đất, đẩy nhựa chứa dưỡng chất qua hệ thống mao mạch của nó? Dĩ nhiên các lực tự nhiên ấy tác động qua lại với sức căng bề mặt và sức hút mạnh mẽ của mặt trăng. Sức hút này là nguyên nhân của thủy triều, một lực luôn luôn có thể dự đoán khác trong thế giới vật lý của vũ trụ. Có nhiều lực được tận dụng bởi các hệ thống tự nhiên, rất triệt để và ở những mức độ thật nhỏ, cho phép mọi loài sinh vật phát triển riêng cho mình những nguồn năng lượng cần thiết. Điều này hoàn toàn tương phản với những giải pháp mà chúng ta nghĩ ra và tài trợ. Những giải pháp hiện nay có vẻ dễ thực hiện nhưng chúng rất kém hiệu quả so với các giải pháp trong tự nhiên. Đó là lý do tại sao chúng ta lãng phí nhiều năng lượng, và tại sao giờ đây chúng ta phải hỏi: “Đâu là những cơ hội thực sự?”
Ðiện năng từ độ pH
Trong khi con người tranh luận về việc sản xuất điện nguyên tử, mặt trời, nhiệt than và quang voltaic, các hệ thống tự nhiên chuyển yêu cầu năng lượng cho mọi thành viên đóng góp trên cơ sở của sự chênh lệch độ pH. Cây tạo ra dòng điện từ sự khác biệt giữa đất và chính nó. Hoạt động của các ion hydro (pH) là một yếu tố quan trọng trong sự cân bằng năng lượng tự nhiên vì nó điều chỉnh tốc độ của những phản ứng sinh hóa. Nó điều tiết cường độ hoạt động của các enzim cũng như vận tốc dòng điện chảy qua cơ thể chúng ta. Độ pH cao có nghĩa là một chất hay một dung dịch có độ kiềm cao và một điện trở lớn. Do đó, dòng điện chảy chậm khi độ pH cao. Về mặt sinh hóa, cái gì có tính kiềm thì chậm. Nếu một dung dịch có tính axit thì dòng điện chảy nhanh. Một bình ắc quy ô tô có tính axit nên nó khởi động xe của bạn mau lẹ trong những ngày lạnh. Hãy so sánh một ắc quy chì có tính axit với một pin đèn chớp có tính kiềm. Pin đèn chớp phóng điện chậm hơn. Các hệ thống tự nhiên sử dụng liên tục tác động qua lại ấy mà không khi nào cần đến chì (ắc quy xe) hay lithi (pin đèn chớp). Trong các sinh vật, màng tế bào là cổng điều tiết dòng điện. Có khi nó để điện tử qua mau, có khi để qua chậm; việc điều chỉnh độ pH của nó quyết định vận tốc của dòng điện.
Ðiện năng từ sự chênh lệch nhiệt độ
Nhiệt điện sinh ra từ sự chuyển đổi độ chênh lệch nhiệt độ thành điện. Trong mô hình năng lượng mới của chúng tôi, trang bị điện tử có thể lấy điện từ hơi ấm của cơ thể con người. Ở Đức, Viện Fraunhofer về Kỹ thuật Đo lường Vật lý đã phát triển một phương pháp thu hoạch điện năng từ hơi ấm của những vật thể trong tự nhiên. Bạn hãy tưởng tượng xem! Chênh lệch nhiệt độ giữa cơ thể con người và môi trường nóng hay lạnh ở xung quanh đủ để tạo ra điện. Thông thường, vài mươi độ chênh lệch được xem là cần thiết cho việc sản xuất điện để vận hành thiết bị điện tử, nhưng nhiệt độ bề mặt của một vật thể và không gian bao quanh nó lại chỉ khác nhau vài độ. “Những chênh lệch nhỏ như thế chỉ có thể tạo ra điện áp thấp,” Peter Spies, người quản lý dự án nói trên ở Viện Fraunhofer, giải thích. Mấy biến đổi những chênh lệch nhiệt độ ấy thành điện cung cấp chừng 200 milivon. Những thiết bị điện tử cần ít nhất một, hai vôn; một đèn LED thắp sáng với điện áp khoảng một vôn.
Tuy nhiên, các kỹ sư ở Viện Fraunhofer đã tìm ra một giải pháp. Thay vì kiếm phương pháp tạo ra nhiều điện hơn – theo cách nghĩ thông thường trong ngành công nghiệp – các kỹ sư ấy đã chế tạo một cách tài tình những mạch điện cần ít năng lượng hơn – đúng 200 milivon. Họ thiết kế những hệ thống điện tử hoàn chỉnh không cần cả pin lẫn điện lưới. Chúng thu điện năng chỉ từ hơi ấm của thân thể (thân nhiệt). Peter Spies tin tưởng rằng trong tương lai, khi hệ thống chuyển mạch được cải tiến thêm, thì chỉ cần một chênh lệch nhiệt độ khoảng 0,3ºC cũng đủ tạo ra điện cho máy điện thoại di động. Đó chính xác là cách tiến hóa của các hệ thống tự nhiên, tức là đạt được nhiều hơn với dòng điện ngày càng nhỏ hơn, cho tới khi hoàn thành mọi việc cần thiết, chứ không chờ một tia sét tạo ra tất cả mọi thứ. Giống như ứng dụng tiềm năng đầu tiên, ống nano điều hòa nhịp tim dựa trên kết quả nghiên cứu cá voi của Jorge Reynold, đã được mô tả trước đây. Công trình đột phá của Peter Spies cho phép chúng ta cân nhắc nghiêm túc vấn đề là làm thế nào để có thể trút bỏ gánh nặng của quá trình khai thác quặng và việc sử dụng quá nhiều năng lượng để sản xuất pin, kim loại và hàng tiêu dùng, những thứ sẽ tràn ngập các bãi rác sau một thời gian ngắn. Trong Nền Kinh tế Xanh Lam, nhiều dụng cụ sẽ được cấu hình lại để có thể hoạt động mà không cần lấy điện từ pin hay ổ cắm nữa. Đối với Nền Kinh tế Xanh Lam, thiên nhiên là nguồn cảm hứng vô tận.
Năm 1999, công ty làm đồng hồ Nhật Bản Seiko bán ra 500 chiếc đồng hồ đeo tay đầu tiên chạy bằng thân nhiệt. Một khi đã sạc đầy, nó hoạt động mười tháng. Nó trở thành một trong những loại đồng hồ được tìm mua nhiều nhất từ trước đến nay. Khả năng tạo ra điện của nó tùy thuộc vào độ chênh lệch giữa nhiệt độ không khí và thân nhiệt của từng cá nhân. Khi đeo ở cổ tay, chiếc đồng hồ hấp thu nhiệt qua đáy vỏ rồi phân tán nhiệt từ mặt trên đồng hồ, tạo ra dòng điện với bộ phận đổi điện của nó. Khi độ chênh lệch giữa nhiệt độ không khí và nhiệt độ bề mặt tăng, lượng điện tạo ra cũng tăng theo. Khi độ chênh lệch giảm, lượng điện cũng sẽ giảm. Đó là cách thức lý tưởng cho việc sản xuất năng lượng của chúng ta trong tương lai.
Ðiện tạo ra bởi trọng lực và sức ép
Điện tạo ra bởi sức ép, áp lực, hay áp điện (piezoelectricity) nếu gọi theo từ chuyên môn, là một nguồn điện phong phú khác trong tự nhiên. “Piezo” là một từ gốc Hy Lạp có nghĩa “căng thẳng”. Thật vậy, nguồn gốc chính của sức ép là trọng lực. Với tính cách là một nguồn năng lượng, sức ép hoạt động hiệu quả nhất với những vật liệu có cấu tạo tinh thể. Trong quá khứ, những nguyên liệu tự nhiên như thạch anh và kim cương được sử dụng. Muối Rochelle (làm bằng natri bicacbonat và potassium bitartrate ) là vật liệu đầu tiên được dùng để trình diễn việc tạo ra áp điện. Đáng chú ý là cấu tạo phân tử của muối ấy bao gồm kali và natri, hai thành phần sinh hóa làm cho nhịp tim của chúng ta hoạt động. Gần đây, hiện tượng áp điện cũng được thấy ở những sản phẩm thông thường như đường mía, xương khô, tơ và cả gỗ nữa. Khi nghiên cứu mới nhất đi vào những khu vực chưa được thăm dò, nhiều nguồn áp điện khác sẽ được khám phá.
Trong khi nhiều nước trên thế giới chưa có ứng dụng trên qui mô lớn, ngành công nghiệp Nhật Bản đã bỏ phiếu tín nhiệm cho những ứng dụng kỹ thuật áp điện trong thương mại. Rất nhiều ứng dụng đã đi vào đời sống thường ngày của chúng ta, nhưng không ai nghĩ là chúng hoạt động với năng lượng tạo ra bởi sức ép. Chiếc điều khiển TV từ xa ban đầu sử dụng công nghệ thạch anh để biến đổi sức ép trên nút bấm thành dòng điện. Thiết bị định vị bằng tiếng vang trên xe hơi và bộ phận điều chỉnh tiêu điểm tự động của máy ảnh phản xạ gương cũng dựa vào nguồn năng lượng ấy. Chỉ cần ấn bánh xe đánh lửa nhỏ của một cái bật lửa cũng đủ tạo ra một tia lửa đốt nhiên liệu. Robert Bosch, công ty Đức chế tạo các bộ phận ô tô, đã phát triển hệ thống phun nhiên liệu đầu tiên dựa vào áp điện. Đó là một trong những nhân tố khiến chiếc Volkswagen Jetta sử dụng nhiên liệu rất hiệu quả. Nó vượt trội hơn chiếc Toyota Prius, chiếc xe nổi tiếng ở Hoa Kỳ chỉ vì có khả năng biến nhiệt năng từ thắng xe thành điện và thu hồi lại năng lượng lãng phí từ quá trình đốt nhiên liệu.
Khi hiểu biết về áp điện được mở rộng, một tầm nhìn mới nảy sinh: thiết kế những tòa nhà sản xuất điện từ sức ép của cấu trúc trên sàn nhà. Một dự án thí điểm đang được tiến hành ở Torino (Ý), thành phố được bình chọn là Thủ đô Thiết kế Thế giới năm 2008. Tinh thể thạch anh có ở khắp vùng núi Alps của châu Âu. Nó có thể được đặt dưới những cái cột ở mỗi tầng nhà và tạo ra điện ngay ở nơi cần nhiều điện hơn cả. Đây thực sự là một ứng dụng của việc biến đổi năng lượng áp điện. Tiềm năng của nó rất lớn vì trọng lượng nặng nề của tòa nhà đè lên các tinh thể có thể tạo ra vài megavon (triệu vôn), chắc chắn đủ để ít nhất cũng vận hành được thang máy.
Trọng lực là hy vọng lớn nhất của chúng ta để xây dựng những tòa nhà cũng như thúc đẩy xã hội nói chung theo hướng bền vững. Sử dụng tiềm năng tạo ra điện của sức ép có nguồn gốc từ trọng lực là một cách thực hiện một ý tưởng hoàn toàn mới về những ngôi nhà và công trình xây dựng tự chủ về năng lượng. Bạn hãy nhớ lại một hệ thống sản xuất nước trên mái nhà dựa trên cùng một nguyên tắc như cấu trúc của con bọ sa mạc Namib và một xoáy nước có thể làm sạch tòa nhà khi hấp lực của trái đất hút nước từ tầng này xuống tầng khác. Chúng ta có thêm vào đó hàng ngàn vôn áp điện tạo ra bởi sức ép của cấu trúc, chớ không phải bởi những tế bào quang điện màng mỏng. Hãy để các kỹ sư của chúng ta tập trung vào việc hiện thực hóa ý tưởng ấy!
Những hiểu biết sâu sắc về năng lượng mở ra khả năng giảm thiểu nhu cầu bùng nổ về pin dùng cho máy trợ thính, đồ chơi, những thiết bị di động và thu nhỏ như điện thoại di động. Trong khi những nhà tư bản mạo hiểm đầu tư hàng tỉ vào việc nghiên cứu loại pin “dùng một lần” ít ô nhiễm hơn, thì lợi tức đầu tư thật sự sẽ thu được từ việc khai thác những nguồn năng lượng tự nhiên và loại trừ sự phụ thuộc vào kim loại.
Một nguồn áp điện tiềm năng khác là dao động, đặc biệt là “âm thanh”. Từ lâu, các nhà khoa học đã biết là thông tin địa chấn – mặc dù có cường độ âm thanh mà chúng ta không cảm nhận được – thường thấy ở những loài vật nhỏ, bao gồm nhện, bọ cạp, côn trùng và vài loài có xương sống như ếch môi trắng, chuột túi (kanguru), chuột chũi vàng. Sự nhạy cảm đối với địa chấn đã được quan sát ở hải tượng − một loài hữu nhũ khổng lồ sống ở biển. Những chứng cứ về việc voi cảm thấy một cơn sóng thần sắp xảy ra đã gây chú ý cho các nhà khoa học. Năm 1997, Caitlin O’Connell-Rodwell, một cộng tác viên khoa học ở trường Y khoa thuộc Đại học Stanford, đã khám phá là voi có thể liên lạc với nhau trên một khoảng cách lớn bằng âm thanh trầm mà con người hầu như không thể nghe được. Chị vạch ra một hướng nghiên cứu mới táo bạo dựa trên giả thiết cho rằng tiếng gọi tần số thấp của voi tạo ra những dao động mạnh dưới đất – những tín hiệu địa chấn mà voi có thể cảm nhận, thậm chí có thể hiểu được bằng vòi, đầu gối và bàn chân. Theo O’Connell-Rodwell, voi thông tin cho nhau qua đất và có khả năng phân biệt những dao động rất nhẹ qua chân của chúng.
Chị đã thực hiện nhiều cuộc quan sát những đàn voi trong công viên quốc gia Etosha ở Namibia và thu thập dữ liệu về sự nhạy cảm của loài vật đối với địa chấn. Chị muốn áp dụng kết quả của mình để giải quyết vấn đề mất thính giác ở người. Những người khuyết tật thính giác thường phát triển khả năng cảm nhận bằng xúc giác. “Chúng tôi muốn nghiên cứu khả năng dùng dao động kích thích trẻ sơ sinh bị khiếm thính nặng nề nhằm cải thiện thính giác của chúng một thời gian ngắn sau khi sinh,” O’Connell-Rodwell bày tỏ. Voi và máy trợ thính đều được kích thích bởi dao động. Ở đây, lại một lần nữa, một trong những lực cơ bản của vật lý – dao động – có tác dụng, giúp đáp ứng nhu cầu thay đổi của một loài – bằng cách tạo ra những tế bào trong não để bù đắp sự khiếm thính và làm cho hệ thần kinh nhạy cảm với dao động qua bàn tay hay bàn chân.
Dạng năng lượng áp điện nhiều hứa hẹn nhất là sức ép của một giọng nói (đúng thế, ngay cả giọng nói cũng có sức ép!) tạo ra điện. Nếu đơn vị biến đổi sức ép của giọng nói thành điện lại còn tiếp xúc với da của bạn nữa, thì cả hai, áp điện và nhiệt điện, có thể được sử dụng cùng lúc để vận hành điện thoại di động. Điều đó có nghĩa bạn càng nói nhiều chừng nào thì bạn càng có thể điện thoại lâu chừng nấy. Chúng ta có thể mường tượng hình dạng và thiết kế của một máy trợ thính được vận hành bằng giọng nói của người mang nó và bằng dòng điện bổ sung do nhiệt độ thân thể người đó tạo ra. Việc kết hợp các nguồn năng lượng đã được kiểm nghiệm ấy sẽ khiến pin lithi và máy sạc điện mặt trời nhanh chóng trở thành lỗi thời.
GS Gunter Paulli
