Tìm hiểu về pin sinh học - Nguồn năng lượng xanh trong tương lai

Pin sinh học sử dụng nguồn năng lượng hữu cơ sẽ thay thế các loại pin chứa nhiều chất độc hại trong tương lai gần.

Pin sinh học là gì?

Pin sinh học (biological battery) là một công cụ sản xuất điện dùng các nguồn năng lượng như: carbonhydrats, amino acids, chất béo bằng các enzyme.

Ngày nay pin đã trở thành một thứ thiết yếu trong cuộc sống hàng ngày, hiện diện trong rất nhiều đồ dùng khác nhau. Tuy nhiên một vấn đề với bất kì loại pin nào hiện nay đó là tuổi thọ của pin. Pin có thể hết đột ngột hay thậm chí là bị quá nhiệt và phát nổ. Những nỗ lực kéo dài tuổi thọ hoạt động và dung lượng pin lại làm cho kích thước pin gia tăng theo và trở nên cồng kềnh hơn. Bên cạnh đó các loại pin hiện nay thường chứa nhiều chất độc hại đối với con người và môi trường tự nhiên. Do đó việc phát triển các loại pin sinh học được cấp năng lượng từ máu, mồ hôi người và các hợp chất hữu cơ khác đang được chú trọng phát triển.

Máu có thể được dùng để cấp năng lượng

Một nhóm các nhà khoa học tại Viện Bách khoa Rensselaer tuyên bố họ đã tạo ra loại pin siêu mỏng có thể uốn cong, sử dụng chất điện phân có mặt trong các chất dịch trong cơ thể người để tạo ra năng lượng. Công trình nghiên cứu của họ được đăng tải trong ấn bản Kỷ yếu Viện Hàn lâm Khoa học Quốc gia Mỹ ngày 13 tháng 8, 2007, đã nhận được sự quan tâm rất lớn từ cộng đồng. Nhóm nghiên cứu khẳng định loại pin sinh học mới của họ có thể chạy bằng dịch từ cơ thể và các hợp chất hữu cơ khác (thậm chí là từ nước mắt hay nước tiểu).

Các ống nano carbon liên kết tạo nên 10% còn lại, tạo cho pin có khả năng dẫn điện và có màu đen.

Ít nhất 90% pin có cấu tạo từ cellulose, chất liệu làm nên các sản phẩm giấy khác nhau, nên pin có kích cỡ rất mỏng. Các ống nano carbon liên kết tạo nên 10% còn lại, tạo cho pin có khả năng dẫn điện và có màu đen. “Pin giấy” này có các ống nano được khắc chìm vào từng sợi giấy nên pin còn có tên gọi là giấy nanocomposite. Pin sử dụng công nghệ nano nên có kích thước nhỏ và tính linh hoạt cao. Hơn thế pin được bổ sung thêm năng lượng từ nguồn chất điện phân. Khi sử dụng pin bên ngoài cơ thể con người, các nhà khoa học ngâm pin giấy này trong một chất lỏng ion (muối dạng lỏng), có tác dụng như chất điện phân.

Cấu tạo từ giấy khiến loại pin này nổi bật với khả năng uốn dẻo. Nhóm nghiên cứu RPI tin rằng trong tương lai, pin sẽ được in ở dạng tấm dài, mà sau đó có thể được cắt thành từng pin nhỏ để phù hợp với nhu cầu sử dụng. Một vài dải pin có thể được ghép lại để cấp năng lượng cho các thiết bị cấy ghép trong y học, chẳng hạn như máy điều hòa nhịp tim, tim nhân tạo. Pin có thể được sử dụng ở dưới da mà không gây ra bất kỳ sự khó chịu nào.

Bởi vì các chất lỏng ion được sử dụng không đóng băng hoặc bay hơi như nước, pin có thể được sử dụng trong môi trường có nhiệt độ: từ -100 độ F đến 300 độ F. Mức phổ nhiệt hoạt động rộng và trọng lượng nhẹ khiến sản phẩm này vô cùng phù hợp để ứng dụng trong máy bay và các phương tiện vận tải. Các nhà nghiên cứu còn tự tin về thiết bị độc nhất của họ vì pin còn có chức năng đồng thời của pin dung lượng cao và siêu tụ điện công suất lớn. Loại siêu tụ này có thể giải phóng năng lượng lớn một cách nhanh chóng, mở ra khả năng được ứng dụng rộng rãi trong ngành công nghiệp điện tử dân dụng. Cũng theo các nhà khoa học, pin sinh học của họ được đánh giá là thân thiện với môi trường vì không sử dụng hóa chất và có thành phần chủ yếu là cellulose. Với nhiều ưu điểm như vậy nhưng kể từ khi được công bố lần đầu vào mùa hè năm 2007, sản phẩm vẫn đang ở trong giai đoạn nghiên cứu thử nghiệm vì theo Nhóm nghiên cứu RPI cho biết, họ vẫn đang cố gắng để cải thiện hiệu suất của pin và để tìm ra phương pháp sản xuất tốt nhất.

Dùng pin sinh học an toàn và không gây độc hại cho con người cũng như môi trường.

Các loại pin sinh học khác

Không chỉ có các nhà khoa học tại Viện Bách khoa Rensselaer mới quan tâm đến pin sinh học. Khá nhiều công ty khác, các trường đại học và cơ sở nghiên cứu đang cạnh tranh để sản xuất những loại pin hữu dựng như vậy chạy trên nguồn năng lượng từ hợp chất hữu cơ, đặc biệt là các loại dịch của cơ thể người. Các nhà nghiên cứu coi đường và glucose trong máu người có là nguồn năng lượng tiềm năng rất có giá trị vì chúng hoàn toàn tự nhiên, có thể tiếp cận rất dễ dàng và không hề tạo ra khí thải độc hại.

Năm 2003, các nhà nghiên cứu Nhật Bản tại Phòng thí nghiệm Nghiên cứu Công nghệ nano của Panasonic đã ra thông cáo báo chí về công trình thí nghiệm chiết xuất năng lượng từ glucose trong máu. Vào thời điểm đó, họ sử dụng các enzyme - một thành phần chất xúc tác thường xuyên có mặt trong pin sinh học để lấy electron từ glucose. Hai năm sau, một nhóm nghiên cứu Nhật Bản khác từ Đại học Tohoku, thông báo rằng họ đã thành công trong việc tạo ra "pin nhiên liệu sinh học”. Pin của họ có thể được sử dụng cấp điện cho các thiết bị y tế kích cỡ nhỏ, chẳng hạn được cấy ghép để đo mức đường huyết ở bệnh nhân tiểu đường. Giống như giấy nanocomposite của RPI, các phiên bản tương lai của công nghệ này có thể, được sử dụng cấp năng lượng cho tim nhân tạo sử dụng chính luồng máu liên tục chảy qua bộ phận cấy ghép nhân tạo này.

Trong tháng 8 năm 2005, các nhà khoa học ở Singapore đã phát triển một pin sử dụng nước tiểu của con người để tạo ra điện. Mặc dù nghe có vẻ kì cục, nhưng loại pin này lại có khả năng được áp dụng rộng rãi. Các nhà nghiên cứu cho biết rằng thiết bị của họ có kích thước của một thẻ tín dụng và có thể làm ra bộ dụng cụ xét nghiệm dùng một lần có giá cả rất hợp lý để chẩn đoán nhanh ung thư hoặc viêm gan. Điều làm cho các thiết bị đặc biệt hữu ích là nó tích hợp pin và thiết bị xét nghiệm lên một con chip dùng một lần. Một trong các nhà nghiên cứu tham gia dự án cho biết rằng pin cũng có thể dùng để sạc nhanh cho các thiết bị điện tử khác. Ví dụ trong trường hợp một người leo núi bị hết pin có thể sử dụng loại pin này để thực hiện cuộc gọi cứu hộ khẩn cấp.

Trong tháng 8 năm 2007, người khổng lồ Sony thông báo rằng họ đã chế tạo thành công pin dùng năng lượng từ đường. Pin này có thể lấy năng lượng từ dung dịch glucose hoặc đồ uống thể thao. Nhưng kỳ lạ hơn thế, một nhóm nghiên cứu của Hàn Quốc đã sản xuất ra một trong những thiết bị sinh học kỳ quặc nhất vào tháng 9 năm 2007. Họ tạo ra đã sản xuất robot siêu nhỏ trông như những con cua tí hon từ chính những mô sống, bằng cách lấy mô tách từ tim chuột sơ sinh và nuôi cấy trên khung xương cực nhỏ . Những tế bào tim sau đó sẽ co đập trong hơn 10 ngày, cho phép các robot để di chuyển lên đến 50 mét. Với sự cải tiến thích hợp, các microrobot này có thể được sử dụng phá bỏ tắc nghẽn trong động mạch.

Pin sinh học đang thay thế được pin nickel-cadmium, pin lithium-ion truyền thống.

Đã có nhiều bước tiến trong lĩnh vực pin sinh học trong thời gian qua, tuy nhiên cần nhiều năm nữa để loại pin này thay thế được pin nickel-cadmium, pin lithium-ion truyền thống. Mặc dù vậy, với kích thước nhỏ, linh hoạt, thời gian sử dụng lâu và thân thiện với môi trường, pin sinh học sẽ giúp tạo ra nhiều ứng dụng tuyệt vời trong lĩnh vực y học. Vì vậy mà các nhà khoa học dường như đã không ngừng tìm ra mọi cách có thể để sử dụng trong công nghệ pin sinh học. Có nhóm nghiên cứu thậm chí đã nghĩ ra pin chạy bằng rượu gin và vodka.