Mặt trời - Nguồn năng lượng của tương lai

“ Năng lượng mặt trời”, nguồn năng lượng " xanh" vô tận của tự nhiên.

Đã không ít lần chúng ta nghe thấy người ta nhắc tới thuật ngữ này nhan nhản trên tivi, báo đài, sách vở… Thế nhưng đã bao giờ bạn tự hỏi, ai là người đặt những bước chân đầu tiên cho ngành khoa học thú vị và đầy tiềm năng này?

Trong bài viết dưới đây, chúng ta sẽ cùng quay ngược quá khứ, điểm lại những cột mốc quan trọng trong tiến trình lịch sử nghiên cứu và ứng dụng năng lượng mặt trời của nhân loại.

Năm 1838

Edmond Becquerel, nhà vật lý người Pháp, được ghi nhận là người đầu tiên có những ý tưởng và ghi chép chính thống về một phương pháp “ thần diệu ” giúp chuyển biến ánh sáng thành năng lượng. Tại thời điểm bấy giờ, ý tưởng của ông được nhiều người cho là khá mới mẻ và thú vị, tuy nhiên nó không có nhiều ứng dụng thực tế cho lắm nên đã nhanh chóng rơi vào quên lãng.

Giai đoạn 1860-1881

Phải hơn 2 thập kỷ sau, những ý tưởng của Becquerel mới lại được người ta nhắc đến. Tiếp nối những ghi chép lại của người tiền bối, Auguste Mouchout đã được cấp bằng sáng chế cho mẫu thiết kế động cơ đầu tiên có khả năng chạy bằng năng lượng mặt trời. Nhận được tài trợ từ chính phủ Pháp, ông thành công trong việc tạo ra một thiết bị giúp chuyển hóa năng lượng mặt trời thành năng lượng hơi nước và từ đó cho ra đời chiếc máy hơi nước chạy bằng năng lượng mặt trời đầu tiên.

Không dừng tại đây, nhà phát minh này sau đó đã sử dụng động cơ hơi nước của mình để lắp cho một chiếc tủ làm lạnh, ông muốn minh chứng cho mọi người thấy rằng tia nắng mặt trời nếu được ứng dụng đúng cách thậm chí có thể dùng để tạo ra băng đá?!? Như Newton đã nói: “ năng lượng không tự nhiên sinh ra, cũng chẳng tự nhiên mất đi. Nó chỉ chuyển hóa từ dạng này sang dạng khác ”.

Đáng tiếc là những nghiên cứu của Auguste Mouchout chỉ dừng lại tại đây. Nước Pháp ít lâu sau ký được một số thỏa thuận với Anh trong việc cung cấp lâu dài nguồn năng lượng than đá giá rẻ. Phát minh của Auguste trong việc tìm ra nguồn năng lượng thay thế đã không còn là ưu tiên của chính phủ Pháp. Không nhận được nguồn kinh phí tài trợ cần thiết cho việc nghiên cứu, Auguste Mouchout sau đó đã sớm phải từ bỏ giấc mơ về một nguồn năng lượng mới vô tận của mình.

Năm 1873

Willoughby Smith, một nhà khoa học người Anh, tình cờ phát hiện ra vật liệu chế tạo pin năng lượng mặt trời. Khi đang thử nghiệm một số chất liệu cho mẫu thiết kế dây cáp viễn thông xuyên đại dương của mình, ông vô tình tìm ra một loại chất liệu mới có tính nhạy sáng cao. Một số thí nghiệm đầu tiên đã được thực hiện và ghi lại liên quan tới mẫu vật liệu mới này.

Giai đoạn 1876-1878

William Adams cho ra đời cuốn sách chính thống đầu tiên về năng lượng mặt trời mang tên: “ Nguồn năng lượng thay thế cho năng lượng hóa thạch tại các quốc gia nhiệt đới ”. Cùng với sự trợ giúp của cậu sinh viên Richard Day trẻ tuổi, ông đã có một mẫu thiết kế thú vị sử dụng gương để tạo ra nguồn năng lượng mặt trời tương đương với một động cơ 2.5 mã lực. Mẫu thiết kế của ông được coi là bước tiến bộ vượt bậc (mẫu thiết kế trước đó của Mouchout chỉ tương đương với động cơ 0.5 mã lực), và vẫn còn được ứng dụng cho tới tận ngày nay.

Năm 1883

Charles Fritz là nhà khoa học đầu tiên thành công trong việc chuyển hóa năng lượng mặt trời thành năng lượng điện. Mẫu thiết kế pin mặt trời của ông tuy có mức chuyển hóa không cao, chỉ từ 1-2%, tuy nhiên vẫn được cộng đồng khoa học quốc tế đánh giá là cột mốc quan trọng trong lịch sử phát triển và ứng dụng năng lượng mặt trời của nhân loại.

Năm 1888

John Ericsson, một người Mỹ nhập cư, đã viết ra những nhận định như sau: “ Sau hơn 2000 năm sinh sống và tồn tại trên trái đất, nhân loại sẽ sớm sử dụng hết những nguồn năng lượng hóa thạch của mình. Con cháu chúng ta sẽ phải đối mặt với tình trạng thiếu thốn năng lượng trầm trọng trong thế kỷ mới. Viễn cảnh đen tối này sẽ trở thành hiện thực trừ khi chúng ta tìm ra cách chế ngự và khai thác năng lượng mặt trời… ”

Lời “ tiên tri ” trên khép lại giai đoạn mở đầu trong dòng lịch sử nghiên cứu và ứng dụng năng lượng mặt trời. Nhân loại bước sang một kỷ nguyên mới, thế kỷ 20 với nhiều khó khăn và thách thức.

Hãy cùng tiếp tục trở lại với cuộc hành trình ngược dòng thời gian, điểm lại những cột mốc quan trọng trong tiến trình lịch sử nghiên cứu và ứng dụng năng lượng mặt trời của nhân loại.

Giai đoạn 1892 – 1905

Aubrey Eneas thành lập công ty kinh doanh đầu tiên trong lĩnh vực năng lượng mặt trời với tên gọi “The Solar Motor .Co”. Công ty này đã bán hệ thống năng lượng mặt trời đầu tiên cho một khách hàng với giá $2.160 (một con số không nhỏ vào thời điểm bấy giờ). Tuy nhiên, hệ thống này đã bị đánh sập chỉ một tuần sau đó bởi một cơn bão lớn. (hình 6)

Ít lâu sau, họ lại bán được cho một khách hàng thứ 2, thế nhưng hệ thống tiếp theo cũng chịu chung số phần. Lần này nó bị phá hỏng bởi một trận mưa đá?!? Có vẻ như trời không chiều lòng người, công ty sau đó rơi vào tình cảnh khốn đốn và đi đến quyết định phá sản.

Năm 1904

Henry Willsie là người đầu tiên nhận ra nhu cầu lưu trữ năng lượng mặt trời tích tụ được từ ban ngày để sử dụng vào ban đêm (những hệ thống được phát minh trước đó đều chỉ sử dụng năng lượng một cách trực tiếp và phải ngừng hoạt động khi đêm xuống). Tin chắc rằng đây là một ý tưởng tuyệt vời, ông quyết định cho xây dựng 2 cỗ máy dự trữ năng lượng khổng lồ tại California. (hình 7)

Được ghi nhận là người đầu tiên thành công trong việc lưu trữ năng lượng mặt trời, thế nhưng ý tưởng của ông không thực sự thành công trên lĩnh vực thương mai. Không tìm kiếm được khách hàng, công ty nhanh chóng lâm vào tình trạng khó khăn và buộc phải đóng cửa. Có vẻ như năng lượng mặt trời vẫn chưa phải mảnh đất hứa cho giới doanh nhân.

Giai đoạn 1906-1914

Không nản lòng trước thất bại của những người đi trước, Frank Shuman đã thành lập công ty của riêng mình với tên gọi “Sun Power .Co”. Công ty đã thành công trong việc xây dựng một hệ thống hấp thụ năng lượng mặt trời lớn nhất, đồng thời cũng là đắt đỏ nhất vào thời điểm bấy giờ với diện tích hơn 3,000 m2. (hình 8)

Một thời gian sau đó, cộng tác với một công ty khác hoạt động trong cùng lĩnh vực, Sun Power .Co đã hoàn thành dự án xây dựng mô hình nhà vườn khép kín đầu tiên sử dụng 100% năng lượng mặt trời đặt ở ngoại ô thủ đô Cairo, Ai Cập. Đáng tiếc là công trình này sau đó đã bị chiến tranh phá hủy trong Đại Chiến Thế Giới lần thứ Nhất.

Năm 1970

Khủng hoảng năng lượng giáng xuống đầu các nước phương Tây. Bắt nguồn từ một số căng thẳng tranh chấp liên quan đến chính trị, OPEC ra quyết định cấm vận đối với Mỹ, đồng thời tăng giá giầu mỏ thêm 70% đối với các nước Châu Âu được coi là đồng minh thân cận của quốc gia này. (hình 9)

Chỉ sau một đêm, giá một thùng dầu đã tăng từ $3 lên $5.11. Thậm chí đến thời điểm tháng 1 năm 1974, giá một thùng dầu đã lên tới mức $11.65 (tăng gần gấp 4 lần trong vòng 4 năm). (hình 10)

Lần đầu tiên trong lịch sử, năng lượng thay thế, hay cụ thể hơn là năng lượng mặt trời, trở thành chủ đề nóng được đưa ra tranh luận tại quốc hội Mỹ cũng như nhiều nước phương Tây. Động thái này đánh dấu cột mốc quan trọng trong tiến trình thương mai hóa nhằm đem ứng dụng của năng lượng mặt trời đến với người dân.

Giai đoạn 1980 -1991

Với sự ủng hộ từ phía chính phủ, các công ty kinh doanh trong lĩnh vực năng lượng mặt trời đã có một giai đoạn phát triển “trong mơ”. Nổi bật lên trong số đó là Luz .Co, một tập đoàn năng lượng thay thế của Mỹ có trụ sở tại Los Angeles.

Tại thời điểm bấy giờ, lượng điện năng từ năng lượng mặt trời do tập đoàn này sản xuất chiếm 95$ sản lượng điện mặt trời của thế giới. Tưởng như kỷ nguyên vàng của các công ty năng lượng mặt trời sẽ kéo dài mãi mãi, thế nhưng vận đen thường hay ập đến đúng lúc người ta ít ngờ nhất. (hình 11)

Sau những chính sách khôn ngoan cả trên phương diện chính trị cũng như kinh tế của chính phủ Mỹ và cộng đồng các nước Châu Âu, đà tăng của giá dầu đã được kìm hãm. Rạng sáng ngày 17 tháng 1 năm 1991, chỉ sau 1 đêm giá dầu đã hạ $10.56 (tương đương với mức 33%), đánh dấu giai đoạn hạ nhiệt của giá dầu thế giới. Tin vui của kẻ này lại là tin buồn cho kẻ khác. Trong vòng 1 tuần sau đó, giá cổ phiếu của các công ty năng lượng thay thế sụt giảm kỷ lục.

Không còn áp lực từ giá dầu, những ưu đãi đầu tư của chính phủ cho lĩnh vực năng lượng thay thế cũng dần bị thu hẹp. Một thời gian sau đó, thế giới chứng kiến việc Luz .Co bị buộc phải đóng cửa do gặp phải khó khăn về tài chính. (hình 12)

Trước khi rời nhiệm sở, vị CEO của Luz .Co đã có vài lời phát biểu trước báo giới: “Thất bại lần này của Luz .Co không chỉ là mất mát của riêng tập đoàn, mà đây còn là bước thụt lùi trong lĩnh vực nghiên cứu và ứng dụng năng lượng thay thế của nhân loại. Sự kiện lần này hoàn toàn không phải do lỗi của công nghệ hay những kém cỏi trong quản lý kinh doanh, đó đơn giản là thất bại về mặt chính sách của chính phủ. Họ đã sai lầm trong việc cân nhắc giữa phát triển kinh tế và bảo vệ môi trường cho thế hệ tương lai của chúng ta”. (hình 13)

Sự kiện Luz .Co phải đóng cửa cũng là dấu ấn quan trọng cuối cùng khép lại thế kỷ 20 đầy sóng gió cho ngành công nghiệp còn quá non trẻ này. Hiện tại, năng lượng thay thế nói chung hay năng lượng mặt trời nói riêng đang tiếp tục trở thành đề tài nóng được đem ra tranh cãi trong thế kỷ 21. Cộng đồng các quốc gia phát triển, tiểu biểu là Mỹ với những chính sách ưu tiên phát triển năng lượng sạch trong thời gian gần đây của tổng thống Obama đang nhen nhóm lên tia hi vọng mới.

Tiềm năng cũng như nhu cầu bức thiết trong việc tìm kiếm những nguồn năng lượng thay thế đã là hết sức rõ ràng. Vấn đề sẽ chỉ là bao giờ, và quốc gia nào sẽ đứng ra gánh trọng trách là người đi tiên phong, mở đường cho một kỷ nguyên phát triển mới của nhân loại trong tương lai?

Một vài sự thực thú vị có thể bạn chưa biết về lĩnh vực năng lượng sạch

+ Theo một số tài liệu chép tay được tìm thấy, thiên tài Da Vinci đã có những tiên đoán “thần kỳ” về kỷ nguyên phát triển năng lượng mặt trời của nhân loại?!? Những ghi chép cá nhân này được ông viết từ năm 1447, khoảng 400 năm trước khi xuất hiện phát minh đầu tiên trong lĩnh vực này. (hình 14)

+ Năng lượng mặt trời chiếu xuống trái đất trong thời gian 1h, cung cấp đủ năng lượng cho dân số thế giới sử dụng trong vòng 1 năm.

+ Năm 1990, kỷ lục thế giới đã được xác lập khi một chiếc máy bay chạy bằng năng lượng mặt trời đã bay vòng quanh nước Mỹ với quãng đường tổng cộng 4,060 km mà không sử dụng bất cứ một loại năng lượng hóa thạch nào.

+ 5% dân số Mỹ hiện đang sử dụng 26% lượng điện tiêu thụ trên toàn thế giới.

+ Trong khi đó, ước tính khoảng 2 tỷ người trên hành tinh chúng ta đang không có điện để sử dụng trong sinh hoạt.

+ Theo dự đoán của các chuyên gia, đến năm 2040, năng lượng tái sinh sẽ chiếm 50% trong tổng số năng lượng mà thế giới tiêu thụ. Hi vọng rằng dự đoán này sẽ sớm trở thành hiện thực.

Thiết bị cảm biến mới nhạy cảm nhất thế giới

Các nhà khoa học tại Viện Công nghệ nano Catalan, Tây Ban Nha đã thử nghiệm thành công một thiết bị cảm biến nhạy cảm nhất thế giới có thể đo được khối lượng một hạt proton trong môi trường chân không.
Trước đây, các bộ cảm biến nhạy cảm nhất thế giới chỉ có thể phát hiện vật thể có khối lượng nhỏ nhất là 100 yoctograms, tương đương 1/10 zeptogram (yoctogram là đơn vị đo lường khối lượng nhỏ nhất. 1 yoctogram = 10-24 gram).

Bộ cảm biến mới có thể đo được khối lượng của hạt Proton, hứa hẹn nhiều ứng dụng hữu ích.

Mới đây, nhà nghiên cứu Adrian Bachtold và các cộng sự tại Viện Công nghệ nano Catalan, Tây Ban Nha đã tạo ra thiết bị ống nano ngắn với các bộ phân giải tốt nhất, hoạt động trong môi trường nhiệt độ thấp. Thiết bị này đã đo được khối lượng một hạt proton nặng 1,7 yoctogram. Đây là trường hợp duy nhất từ trước đến nay.

Mặc dù thí nghiệm này được thực hiện trong môi trường chân không để giảm thiểu sự can thiệp của các nguyên tử khác. Song các nhà nghiên cứu hy vọng sẽ sản xuất được các bộ cảm biến nano kiểu này với giá thành thấp.

Đồng thời, các nhà nghiên cứu cũng hy vọng có thể áp dụng bộ cảm biến nhạy cảm nhất thế giới trên để phân biệt các yếu tố khác nhau trong các mẫu hóa chất ở đơn vị chỉ vài proton. Và dùng nó vào chẩn đoán các điều kiện về sức khỏe trong y học bằng cách xác định dấu hiệu của bệnh trong các phân tử ở cấp độ proton.