Pin năng lượng vi khuẩn

Lũ vi khuẩn "xơi" tất cả mọi chất hữu cơ sinh hoạt có trong nước thải, và chuyển hóa thành carbon dioxide. Trong lúc ôxy hóa nguồn thức ăn của mình, vi khuẩn giải phóng electron từ chất hữu cơ. Chuyện ngàn năm ấy của vi khuẩn đến nay chợt làm bùng lên một ý tưởng tuyệt vời: Kiểm soát nguồn electron này để tạo ra dòng điện phục vụ sinh hoạt gia đình!



Nếu khai thác đúng cách, vi khuẩn trong nước thải sẽ tạo ra dòng điện, phục vụ cuộc sống.

Nhóm nghiên cứu, do Bruce Logan phụ trách, thuộc ĐH bang Pennsylvania (Mỹ ), vừa tạo ra một thiết bị có khả năng tạo nguồn điện từ nước thải sinh hoạt, vốn chứa rất nhiều chất hữu cơ từ hoạt động nấu nướng, lau chùi. Thiết bị này còn giúp làm sạch nước thải, khiến cho công tác xử lý nước bẩn trở nên dễ dàng hơn. Với thiết bị biến nước thải thành nguồn kinh tế giá trị này, các tác giả hy vọng có thể đóng góp được phần nào vào hệ thống vệ sinh cơ bản của các nước đang phát triển.

Ý tưởng chế tạo thiết bị được nảy sinh từ quá trình phân huỷ chất hữu cơ sinh hoạt của vi khuẩn có trong nước thải. Lũ vi khuẩn này "xơi" tất cả mọi thứ, từ chất thải cho tới mảnh bắp cải vụn, và chuyển hóa thành carbon dioxide. Như vậy, trong lúc ôxy hóa nguồn thức ăn của mình, vi khuẩn giải phóng electron từ chất hữu cơ. Kiểm soát nguồn electron này, các nhà khoa học có thể tạo ra được dòng điện phục vụ sinh hoạt gia đình.

Trước đây, thiết bị chuyển hóa năng lượng hữu cơ do vi khuẩn tạo ra thành dòng điện đã từng được sản xuất và ứng dụng vào thực tế. Chúng có tên là pin năng lượng vi khuẩn, và nhiều người hiện nay vẫn đang tiếp tục khai thác nguồn điện rẻ tiền và đầy tiềm năng này, có khi tại những nơi ít ai ngờ tới. Ví dụ, điện cực gắn dưới đáy biển có thể thu được nguồn năng lượng do vi khuẩn sống trong bùn thải ra. Mặc dù nguồn điện sản xuất bằng cách này thường rất bé, chúng vẫn đủ để vận hành thiết bị theo dõi môi trường ngầm dưới nước.

Thiết bị của Logan thực ra chỉ là một loại pin năng lượng như thế, bao gồm một ống nhựa rộng 6,5cm và dài 15cm. Tám thỏi graphit chạy dọc theo ống có chức năng như những điện cực âm. Điện cực dương là một thỏi nằm ở chính giữa, làm bằng nhựa, carbon và platinum. Khi nước thải được bơm qua buồng, vi khuẩn bám vào các thỏi graphit và chuyển electron vào những thỏi này khi chúng ăn chất hữu cơ. Electron đi theo dây dẫn vào thỏi platinum, hoàn tất một mạch điện.

Diện tích bề mặt của các thỏi graphit càng rộng, nguồn điện tạo được càng lớn. Cho đến nay, bằng phương pháp của mình, nhóm nghiên cứu của Logan đã lấy được 150 miliwatt trên mỗi mét vuông diện tích graphit. Tuy nhiên, họ vẫn chưa muốn dừng ở đó: "Chúng tôi tin rằng có thể tăng mức khai thác dòng điện lên tới 1.000 mW trên mỗi mét vuông. Hiện nay, một thiết bị cỡ vừa chỉ tạo được dòng điện đủ để thắp sáng bóng đèn chứ chưa đủ để phục vụ cho toàn gia đình. Chúng tôi sẽ tiếp tục cải tiến thiết bị này."

Nếu có môi trường thuận lợi, vi khuẩn sẽ tiêu huỷ nhiều chất thải hữu cơ hơn, đồng thời giải phóng ra nhiều electron hơn. Nhóm nghiên cứu cho biết: Trong thiết bị tạo điện, vi khuẩn có thể tiêu huỷ tới 80% chất thải hữu cơ trong nước. Với quy mô lớn hơn, thiết bị này sẽ giúp chúng ta tiết kiệm năng lượng và xử lý chất thải cho mỗi gia đình. Điều này đồng nghĩa với tiết kiệm được một khoản tiền khổng lồ: chỉ riêng ở Mỹ, chi phí xử lý chất thải sinh hoạt hàng năm đã lên tới 25 tỉ USD.

Khánh Hà (Theo Nature)


Sản xuất điện từ chất thải của... phi hành gia

Trong một chuyến đi hai năm tới Sao Hoả, ước tính một phi hành đoàn sáu ngưới sẽ tạo ra hơn sáu tấn chất thải hữu cơ rắn, đa phần là phân. Làm gì đây? Câu trả lời: Biến nó thành... điện năng.



Viễn cảnh con người lên Sao Hoả thám hiểm có thể trở thành hiện thực với tế bào nhiên liệu vi khuẩn màng.

Hiện giờ, chất thải của các nhà du hành vũ trụ được chở về Trái đất. Tuy nhiên, trong các chuyến thám hiểm dài, con người muốn tái chế chúng bởi chúng giữ các nguồn mà nhà du hành cần tới. Từ chất thải được xử lý, có thể cung cấp... nước uống tinh khiết và phân bón. Chưa hết, vì với sự giúp đỡ của một loại vi khuẩn được phát hiện gần đây, chất thải sẽ cung cấp cả điện năng cho phi thuyền.

Giống như nhiều loại vi khuẩn, Geobacter là một thành viên của họ Geobacteraceae. Chúng ăn và có thể phân huỷ vật liệu hữu cơ. Geobacter lần đầu tiên được phát hiện ở bùn sông Potomac, Mỹ. Chúng thích sống ở những nơi không có oxy và chứa nhiều sắt. Chúng cũng có khả năng di chuyển electron vào kim loại. Điều đó có nghĩa là trong những điều kiện thích hợp, khuẩn Geobacter vừa xử lý chất thải, vừa sản xuất điện năng.

Điều kiện thích hợp có thể được tìm thấy trong một loại tế bào nhiên liệu mới: tế bào nhiên liệu vi khuẩn màng. Thiết bị này hiện đang được một nhóm nghiên cứu do NASA tài trợ chế tạo. Trưởng nhóm là TS Bruce Rittmann thuộc ĐH Northwestern. Tất cả tế bào nhiên liệu sản xuất điện bằng cách tạo ra và kiểm soát một dòng electron. Tế bào bình thường, bao gồm cả tế bào hiện được sử dụng trên tàu con thoi và một số ô-tô nguyên mẫu, lấy các electron bằng cách kéo chúng ra khỏi nguyên tử hydro. Để làm điều đó, các tế bào nhiên liệu này phải được cung cấp hydro liên tục.

Tuy nhiên, tế bào nhiên liệu vi khuẩn lấy electron từ chất thải hữu cơ. Vi khuẩn ở trung tâm của thiết bị ăn chất thải và chúng kéo electron ra khỏi đó như một phần của tiến trình tiêu hoá. Khuẩn Geobacter cũng như một vài loại khác có thể được "dụ dỗ" để đưa các electron này trực tiếp tới một điện cực của tế bào nhiên liệu. Khi được chuyển vào dây dẫn, chúng tạo ra điện năng. Tế bào nhiên liệu vi khuẩn đang được thử nghiệm trên Trái đất. Chẳng hạn, một tế bào nguyên mẫu đang được sử dụng tại ĐH Pennsylvania để sản xuất điện năng trong khi nó làm sạch nước thải.

Rittmann cho rằng để làm cho ý tưởng trên trở thành hiện thực trong các chuyến đi không gian, các tế bào nhiên liệu vi khuẩn màng phải nhỏ gọn. Để thoả mãn yêu cầu này, Rittmann đang thiết kế một loại tế bào nhiên liệu gồm nhiều sợi nén chặt, mỗi sợi sẽ là một tế bào nhiên liệu hoàn chỉnh. Mỗi sợi gồm ba lớp, lớp ngoài là cực dương, lớp giữa là màng điện phân và lớp trong cùng là cực âm. Một dòng chất thải hoá lỏng sẽ được bơm qua các lớp ngoài nơi vi khuẩn Geobacter (hay vi khuẩn tương tự ) có thể chộp electron và di chuyển chúng tới cực dương vào trong mạch và sau đó tới cực âm.

Tuy nhiên, trước khi những thiết kế như vậy được đưa vào sử dụng, Rittmann và nhóm của ông phải xác định rõ cơ chế vi khuẩn chuyển electron tới điện cực. Trong các thí nghiệm, tốc độ chuyển electron này rất chậm. Rittmann nói: ''Chúng tôi cần làm cho chúng tăng tốc và do đó tạo ra nhiều điện hơn. Một vấn đề nữa là hiệu điện thế trên điện cực. Nó phải đủ cao để làm vi khuẩn từ bỏ electron của chúng. Vi khuẩn di chuyển electron xung quanh để kiếm năng lượng. Trên thực tế, chúng chỉ di chuyển eletron khi chúng thu được năng lượng. Hiệu điện thế tốt nhất là bao nhiêu? Đó là một trong những câu hỏi mà chúng tôi đang cố trả lời''.

Tế bào nhiên liệu vi khuẩn màng vẫn ở giai đoạn phát triển ban đầu. Tuy nhiên, nếu dự án thành công, chúng sẽ được sử dụng không chỉ trong không gian mà trong chính ngay nhà của chúng ta. Bởi, rốt cuộc, các nhà du hành không phải là những người duy nhất tạo chất thải hữu cơ. Bằng cách sản xuất điện năng, tế bào nhiên liệu vi khuẩn sẽ làm cho tiến trình lọc nước thải hiệu quả hơn nhiều. Nói cách khác, nó biến một thứ mà chúng ta nghĩ là bỏ đi thành một... tài nguyên!

Minh Sơn (Theo Space)