Các nhà khoa học tại UNSW đã phát triển một công nghệ mới cho phép pin mặt trời tạo ra điện vào ban đêm, bằng cách khai thác nhiệt bức xạ hồng ngoại mà Trái Đất phát ra vào không gian. Thiết bị này sử dụng đi-ốt nhiệt bức xạ, một linh kiện bán dẫn hoạt động theo nguyên lý ngược với pin mặt trời truyền thống: nó sinh ra dòng điện khi phát tán nhiệt về phía bầu trời đêm lạnh giá. Mặc dù công suất phát điện ban đầu còn rất khiêm tốn và bị ảnh hưởng bởi khí quyển Trái Đất, công nghệ này mở ra tiềm năng lớn trong môi trường không gian. Công nghệ này được định hướng không thay thế pin mặt trời truyền thống mà sẽ đóng vai trò bổ trợ chiến lược, cung cấp nguồn điện liên tục, góp phần ổn định hệ thống năng lượng tái tạo trong tương lai.
 |
| Pin mặt trời hoạt động vào ban đêm: Một đột phá công nghệ tiềm năng định hình tương lai năng lượng (Nguồn: Zhengzaishuru/iStock) |
Tận dụng nhiệt bức xạ của Trái Đất vào ban đêm
Các nhà khoa học tại Học viện Kỹ thuật Quang điện và Năng lượng tái tạo (UNSW) đã khám phá ra rằng, ngoài việc hấp thụ năng lượng mặt trời vào ban ngày, Trái Đất còn liên tục bức xạ nhiệt hồng ngoại trở lại không gian khi màn đêm buông xuống. Chính dòng bức xạ nhiệt tự nhiên này là cơ sở cốt lõi cho một công nghệ phát điện hoàn toàn mới, hứa hẹn tạo ra điện ngay cả khi không có ánh sáng mặt trời.
Khác với các tấm pin quang điện truyền thống hoạt động dựa trên sự hấp thụ ánh sáng, thiết bị đột phá này khai thác đi-ốt nhiệt bức xạ (thermoradiative diode). Đây là một linh kiện bán dẫn đặc biệt, có khả năng sinh ra dòng điện khi nó phát tán bức xạ nhiệt về phía một môi trường có nhiệt độ thấp hơn.
Giáo sư Jamie Harrison, nghiên cứu sinh sau đại học tại UNSW, mô tả ý tưởng này như một sự đảo ngược tinh tế của nguyên lý hoạt động pin mặt trời. Ông giải thích: “Về cơ bản, thiết bị này vận hành như một tấm pin mặt trời hoạt động theo chiều ngược. Thay vì hấp thụ ánh sáng để sản xuất điện năng, nó lại tạo ra điện thông qua quá trình phát xạ.”
Cơ chế vận hành nghịch đảo so với pin mặt trời quang điện
Trong pin mặt trời truyền thống, photon ánh sáng mặt trời kích hoạt electron trong vật liệu bán dẫn, từ đó tạo ra dòng điện. Tuy nhiên, với đi-ốt bức xạ nhiệt, quá trình diễn ra hoàn toàn trái ngược: khi vật liệu phát xạ các photon hồng ngoại hướng về phía bầu trời đêm lạnh giá, sự trao đổi năng lượng này sẽ hình thành một chênh lệch điện thế, dẫn đến việc sản sinh điện.
Các nhà khoa học từ nhóm nghiên cứu chỉ ra rằng hiện tượng này có nét tương đồng với cơ chế vận hành của một số thiết bị nhìn đêm nhạy hồng ngoại, nhưng với mục đích tối ưu hóa để thu hồi năng lượng điện, thay vì chỉ đơn thuần ghi nhận tín hiệu hình ảnh.
Một thành viên của nhóm nghiên cứu lý giải rằng mọi vật thể có nhiệt độ cao hơn môi trường xung quanh đều tự nhiên phát ra bức xạ hồng ngoại. Nếu quá trình này được kiểm soát hiệu quả thông qua cấu trúc bán dẫn được thiết kế chuyên biệt, phần năng lượng thất thoát đó hoàn toàn có thể được chuyển hóa thành điện năng có giá trị sử dụng.
Công suất phát điện ban đầu còn khiêm tốn
Những kết quả thử nghiệm sơ bộ chỉ ra rằng công suất điện tạo ra hiện tại vẫn còn rất hạn chế, thấp hơn đáng kể so với pin mặt trời hoạt động ban ngày. Giáo sư Ekins-Daukes nhận định: “Tại thời điểm hiện tại, lượng điện thu được thực sự khiêm tốn. Nó chỉ tương đương với năng lượng cần thiết để vận hành một thiết bị điện tử nhỏ gọn, chẳng hạn như một chiếc đồng hồ số hoạt động nhờ nhiệt độ cơ thể.”
Các chuyên gia cũng nhấn mạnh rằng bầu khí quyển Trái Đất, đặc biệt là hơi nước và carbon dioxide (CO₂), hấp thụ một phần đáng kể bức xạ hồng ngoại, dẫn đến việc giảm hiệu suất phát điện. Ngay cả trong điều kiện lý tưởng nhất, mật độ công suất lý thuyết cũng chỉ đạt mức rất thấp trên mỗi mét vuông, chưa đáp ứng được các yêu cầu về điện năng quy mô lớn.
Tiềm năng ứng dụng rộng lớn trong môi trường vũ trụ
Mặc dù còn đối mặt với những thách thức nhất định trên mặt đất, công nghệ này lại mở ra nhiều triển vọng đầy hứa hẹn trong môi trường không gian. Ở đó, sự vắng mặt của lớp khí quyển dày đặc giúp bức xạ nhiệt không bị cản trở. Theo phân tích của nhóm UNSW, các vệ tinh quay quanh Trái Đất thường luân phiên trải qua các chu kỳ chiếu sáng và bóng tối. Khả năng phát điện trong giai đoạn không nhận ánh sáng sẽ giúp giảm đáng kể sự phụ thuộc vào hệ thống pin lưu trữ hiện có.
Giáo sư Ekins-Daukes khẳng định: “Trong môi trường không gian, với nhiệt độ thấp hơn và bức xạ không bị suy giảm đáng kể bởi khí quyển, công nghệ này hoàn toàn có thể đạt được hiệu suất vượt trội hơn nhiều.”
Nhóm nghiên cứu hiện đang triển khai kế hoạch thử nghiệm thiết bị này trong điều kiện tầng cao khí quyển, sử dụng khí cầu để thu thập dữ liệu và đánh giá hiệu suất thực tế một cách chính xác.
Vai trò bổ trợ chiến lược cho các hệ thống năng lượng tái tạo tương lai
Giới chuyên môn nhận định rằng, công nghệ pin phát điện ban đêm không được phát triển để thay thế hoàn toàn các tấm pin mặt trời truyền thống, mà sẽ đóng vai trò là một nguồn bổ trợ công suất thấp nhưng liên tục. Khi tích hợp cùng pin quang điện hoạt động ban ngày và hệ thống lưu trữ năng lượng, công nghệ này có tiềm năng góp phần kiến tạo một mô hình cung cấp điện bền vững và ổn định hơn từ các nguồn năng lượng tái tạo.
Mặc dù còn đang trong những giai đoạn nghiên cứu sơ khai, định hướng phát điện từ bức xạ nhiệt ban đêm đã mở ra một tầm nhìn mới mẻ về năng lượng. Nó khẳng định rằng năng lượng mặt trời không chỉ giới hạn ở ánh sáng trực tiếp, mà còn ẩn chứa trong chính lượng nhiệt mà Trái Đất âm thầm phát ra sau khi hoàng hôn. Đây thực sự là một trong những đột phá khoa học đáng chú ý, định hình lại hành trình phát triển các công nghệ năng lượng sạch trong tương lai.
