Không có nguồn điện, các cảm biến đại dương không thể thu thập dữ liệu thời tiết và sóng quan trọng, dẫn đến lo ngại về an toàn cho các cộng đồng ven biển dựa vào thông tin thời tiết hàng hải chính xác. Thay pin trên biển cũng đắt. Điều gì sẽ xảy ra nếu tất cả điều này có thể tránh được bằng cách cung cấp năng lượng vô thời hạn cho các thiết bị từ năng lượng của sóng biển?

Máy phát điện nano khai thác năng lượng của đại dương để cung cấp năng lượng cho các cảm biến. Ảnh: Pixabay 

Các nhà nghiên cứu của Phòng thí nghiệm Quốc gia Tây Bắc Thái Bình Dương (PNNL) đang làm việc để biến điều này thành hiện thực với việc phát triển một máy phát điện nano ma sát hình trụ mới (TENG)—một nhà máy điện nhỏ chuyển đổi năng lượng sóng thành điện năng để cung cấp năng lượng cho các thiết bị trên biển. Các phiên bản lớn hơn của máy phát điện này có thể được sử dụng để cung cấp năng lượng cho các hệ thống liên lạc và quan sát đại dương, bao gồm đo từ xa bằng âm thanh và vệ tinh.

TENG có chi phí thấp, trọng lượng nhẹ và có thể chuyển đổi hiệu quả các sóng chậm, đồng đều hoặc ngẫu nhiên thành năng lượng—làm cho chúng đặc biệt phù hợp để cung cấp năng lượng cho các thiết bị trong đại dương mở, nơi việc giám sát và truy cập gặp nhiều thách thức và tốn kém.

Nhóm nghiên cứu đã tiếp cận để cải tiến TENG hình trụ để sử dụng trên đại dương rộng mở. Máy phát điện nano ma sát hình trụ nhân tần số (FMC-TENG) đang chờ cấp bằng sáng chế sử dụng các nam châm được đặt cẩn thận để chuyển đổi năng lượng hiệu quả hơn so với các TENG hình trụ khác và chuyển đổi sóng chậm, đều thành điện năng tốt hơn.

Cho đến nay, nguyên mẫu FMC-TENG đã có thể sản xuất đủ điện để cung cấp năng lượng cho một máy phát âm thanh—một loại cảm biến thường được trang bị trên các nền tảng quan sát đại dương có thể được sử dụng để liên lạc. Đây là lượng điện tương đương cần thiết để cung cấp năng lượng cho một bóng đèn LED.

FMC-TENG cung cấp năng lượng cho mọi thứ, từ các nền tảng quan sát đại dương với nhiều cảm biến đến liên lạc vệ tinh, tất cả đều sử dụng sức mạnh của đại dương.

Lông nhân tạo, nam châm và sóng để tạo năng lượng

Nếu bạn đã từng bị sốc do tĩnh điện, thì bạn đã tự mình trải nghiệm hiệu ứng điện ma sát—hiệu ứng tương tự mà các nhà nghiên cứu sử dụng trong FMC-TENG để tạo ra năng lượng. Một TENG hình trụ được tạo thành từ hai hình trụ lồng vào nhau với hình trụ bên trong quay tự do.

Giữa hai xi lanh là các dải lông thú nhân tạo, các điện cực bằng nhôm và một vật liệu tương tự như Teflon có tên là flo etylen propylen (FEP). Khi TENG cuộn dọc theo bề mặt sóng biển, các điện cực nhôm và lông thú nhân tạo trên một xi lanh cọ xát với vật liệu FEP trên xi lanh kia, tạo ra tĩnh điện có thể chuyển hóa thành năng lượng.

TENG hình trụ di chuyển càng nhiều, nó càng tạo ra nhiều năng lượng. Đó là lý do tại sao những con sóng nhanh, thường xuyên có thể tạo ra nhiều năng lượng hơn những con sóng chậm hơn, đồng đều hơn của đại dương mở.

Để tạo ra một TENG có thể cung cấp năng lượng cho các thiết bị điện tử trong đại dương rộng mở, nhóm nghiên cứu đã bắt đầu tăng lượng năng lượng sóng được chuyển đổi thành điện năng trong FMC-TENG. Hóa ra, chìa khóa là để tạm thời ngăn xi lanh bên trong của FMC-TENG di chuyển.

Trong FMC-TENG, nhóm đã định vị các nam châm để ngăn hình trụ bên trong thiết bị quay cho đến khi nó chạm tới đỉnh sóng, cho phép nó tích tụ ngày càng nhiều thế năng.

Gần đến đỉnh sóng, các nam châm nhả ra và hình trụ bên trong bắt đầu lăn xuống sóng rất nhanh. Chuyển động nhanh hơn tạo ra điện hiệu quả hơn, tạo ra nhiều năng lượng hơn từ sóng chậm hơn.

Một bộ chuyển đổi năng lượng sóng cho đại dương mở

Hiện tại, nguyên mẫu FMC-TENG có thể tạo ra đủ năng lượng để chạy các thiết bị điện tử nhỏ, như cảm biến nhiệt độ và máy phát âm thanh.

Khi nhóm lặp lại thiết kế để sử dụng cho mục đích thương mại, FMC-TENG dự kiến ​​sẽ tạo ra đủ năng lượng để chạy toàn bộ nền tảng giám sát đại dương mở bao gồm nhiều cảm biến và liên lạc vệ tinh. Ngoài ra, FMC-TENG rất nhẹ và có thể được sử dụng trong cả thiết bị nổi tự do và nền tảng neo đậu.

FMC-TENG là duy nhất vì có rất ít bộ chuyển đổi năng lượng sóng hiệu quả và có thể tạo ra năng lượng đáng kể từ sóng biển tần số thấp. Loại máy phát điện này có khả năng cung cấp năng lượng cho các phao tích hợp với các mảng cảm biến để theo dõi dữ liệu khí hậu, gió và nước biển mở hoàn toàn bằng cách sử dụng năng lượng đại dương tái tạo.