Thiết bị lặn tự sạc pin nhờ... phân cá

Vào những thập kỷ gần đây, trong lĩnh vực thám hiểm dưới nước, các thiết bị lặn đã cung cấp cho khoa học rất nhiều thông tin giá trị. Thực sự, trong lòng biển cả vẫn còn ẩn chứa vô vàn những điều con người cần biết và các thiết bị lặn đã giúp ích rất nhiều cho điều này.

Nhưng biển cả thì mênh mông sâu thẳm mà năng lượng chứa trong thiết bị thì có hạn không đáp ứng đủ thời lượng cho việc khám phá. Đưa thiết bị lên mặt nước thì công việc dở dang, mà nếu bỏ luôn thiết bị dưới đáy đại dương thì quá lãng phí và tốn kém. Vì vậy, vấn đề thời lượng của pin là điều mà các nhà khoa học luôn quan tâm.

Thực tế là từ lâu, khoa học vẫn muốn tìm kiếm một nguồn năng lượng bền vững để sử dụng cho các thiết bị. Và người ta đã nghĩ tới nguồn vi sinh vật, là một nguồn nguyên liệu phong phú trong môi trường. Chính vì vậy mà các tế bào nhiên liệu sinh học MFC ra đời.

MFC tức Microbial Fuel Cell, được sắp xếp thành hai nhóm: qua trung gian và không qua trung gian. Các MFC đầu tiên xuất hiện vào đầu thế kỷ 20, thuộc nhóm đầu, đã sử dụng chất trung gian là một hóa chất để chuyển các electron từ vi khuẩn trong tế bào sang anode của ắc quy.

Robot lặn dưới biển sâu này của hải quân Mỹ rất cần được trang bị năng lượng hoạt động bằng MFC.

Loại MFC thuộc nhóm hai xuất hiện vào những năm 1970, trong loại MFC này, trên màng ngoài của vi khuẩn thường có các protein hoạt động điện hóa có tính năng khử oxy hóa như cytochrome có thể chuyển các electron trực tiếp vào anode.

Trong thế kỷ 21, các nhà khoa học lại quay sang nghiên cứu MFC thương mại trong nước thải, dùng hoạt động của vi sinh vật để chuyển đổi năng lượng hóa học thành năng lượng điện. Các tế bào điện hóa này được chế tạo bằng cách sử dụng một bioanode (cực dương sinh học) hoặc một biocathode (cực âm sinh học).

Hầu hết các MFC có chứa một màng để phân tách các ngăn của anode (nơi xảy ra quá trình oxy hóa) và cực âm (nơi xảy ra quá trình khử). Các electron được tạo ra trong quá trình khử oxy hóa được chuyển trực tiếp vào điện cực.MFC hoạt động rất tốt trong điều kiện nhiệt độ ôn hòa, khoảng từ 20 °C tới 40 °C và trong độ pH trung tính, khoảng 7.

Sơ đồ hoạt động của một MFC truyền thống với vi khuẩn, anode và cathode.

Tuy nhiên lưu ý là năng lượng MFC thiếu sự ổn định cần thiết cho các ứng dụng y tế dài hạn như trong máy điều hòa nhịp tim.Và mới đây, các nhà nghiên cứu của hải quân Mỹ đã thành công trong việc phát triển một loại pin có tính năng tự tái tạo năng lượng khi tiếp xúc với… phân của các loài động vật biển, cụ thể là cá.

Quả là một công nghệ đầy hứa hẹn, nhưng đặc biệt là việc gia tăng thời lượng cho pin, điều này giúp làm tăng khả năng tự chủ của các robot lặn.

Trong rất nhiều năm, hải quân Mỹ đã nghiên cứu mọi cách và nay đã tìm được giải pháp. Loại pin MFC có thể được cung cấp năng lượng trực tiếp từ đáy đại dương. MFC sẽ chuyển hóa lớp chất thải của các sinh vật biển lắng đọng dưới đáy đại dương thành năng lượng cung cấp cho pin.

Trong số lượng vô vàn đủ loại chất thải này thì phân cá là lựa chọn số một vì đây là một nguồn tài nguyên không chỉ phong phú mà còn là không bao giờ cạn kiệt.