Mặt trời liên tục truyền hàng nghìn tỷ watt năng lượng cho Trái đất và sẽ còn như vậy trong hàng tỷ năm nữa, tuy nhiên, chúng ta mới chỉ bắt đầu khai thác được một phần nguồn năng lượng tái tạo dồi dào đó với chi phí hợp lý.
Các phương pháp máy học đang được phát triển tại Argonne để thúc đẩy nghiên cứu năng lượng mặt trời với perovskite.
Hấp thụ ánh nắng mặt trời bằng công nghệ của trí tuệ nhân tạo
Chất hấp thụ năng lượng mặt trời là một vật liệu được sử dụng để chuyển đổi năng lượng này thành nhiệt hoặc điện. Maria K. Chan, nhà khoa học Phòng thí nghiệm Quốc gia Argonne vận hành dưới sự quản lý của Bộ Năng lượng Mỹ (DOE), phát triển một phương pháp học máy móc để sàng lọc hàng nghìn hợp chất làm chất hấp thụ năng lượng mặt trời.
Đồng tác giả của Chan trong dự án này là Arun Mannodi-Kanakkithodi, nhà khoa học hiện là trợ lý giáo sư tại Đại học Purdue. Chan cho biết: “Theo một nghiên cứu gần đây của DOE, đến năm 2035, năng lượng mặt trời có thể cung cấp cho 40% lượng điện của quốc gia. Và nó có thể giúp khử carbon trong lưới điện đồng thời cung cấp nhiều việc làm mới”.
Chan và Mannodi-Kanakkithodi đang đặt cược máy học sẽ đóng vai trò quan trọng trong nỗ lực hiện thực hóa mục tiêu cao cả đó. Một dạng trí tuệ nhân tạo (AI), máy học sử dụng sự kết hợp của các tập dữ liệu lớn và thuật toán để bắt chước cách con người học. Nó học hỏi từ đào tạo với dữ liệu mẫu và kinh nghiệm trong quá khứ để đưa ra dự đoán tốt hơn bao giờ hết.
Vào thời của nhà phát minh Thomas Edison, cộng đồng khoa học thế giới đã khám phá những vật liệu mới bằng quá trình thử nghiệm và sai lầm đầy gian khổ với nhiều ứng viên khác nhau cho đến khi một vật liệu hoạt động. Trong vài thập kỷ qua, giới khoa học cũng dựa vào các phép tính tốn nhiều công sức đòi hỏi hàng nghìn giờ để dự đoán những đặc tính của vật liệu. Giờ đây, họ có thể tắt cả hai quy trình khám phá bằng cách sử dụng máy học.
Nghiên cứu hệ thống năng lượng để giúp nó có thể thu nhận năng lượng mặt trời, lưu trữ đến 18 năm và giải phóng nó bất cứ khi nào và ở đâu khi cần thiết.
Hiện tại, chất hấp thụ chính trong pin mặt trời là silicon hoặc cadmium telluride. Những chất như vậy ngày nay đã trở nên phổ biến. Nhưng chúng vẫn còn khá đắt cũng như tốn nhiều năng lượng để sản xuất. Một nhóm nghiên cứu đã sử dụng phương pháp học máy của họ để đánh giá mọi đặc tính năng lượng mặt trời của một loại vật liệu được gọi là perovskite halogenua.
Trong thập kỷ qua, nhiều nhà khoa học cố gắng nghiên cứu perovskite vì hiệu quả đáng kể của chúng trong việc chuyển đổi ánh sáng mặt trời thành điện năng. Họ cũng đưa ra triển vọng về chi phí và năng lượng đầu vào thấp hơn nhiều cho việc chuẩn bị nguyên liệu và xây dựng vật chất.
Chan giải thích: “Không giống như silicon hoặc cadimi, mọi biến thể có thể có của halogenua kết hợp với perovskite là không giới hạn. Do đó, nhu cầu cấp thiết là phát triển phương pháp có thể thu hẹp các ứng viên triển vọng xuống một con số có thể quản lý được. Vì vậy, máy học được đánh giá là một công cụ hoàn hảo”.
Nhóm nghiên cứu đã đào tạo phương pháp của họ với dữ liệu cho vài trăm chế phẩm perovskite halogenua, sau đó áp dụng nó cho hơn 18.000 chế phẩm làm trường hợp thử nghiệm. Phương pháp đã đánh giá các chế phẩm này về một số đặc tính chính như tính ổn định, khả năng hấp thụ ánh sáng mặt trời, cấu trúc không dễ bị vỡ do khuyết tật…
Hệ thống lưu trữ năng lượng nhiệt mặt trời phân tử là một hệ thống năng lượng khép kín dựa trên phân tử carbon, hydro và nitơ được thiết kế đặc biệt.
Các tính toán phù hợp tốt với dữ liệu liên quan trong tài liệu khoa học. Ngoài ra, những phát hiện giúp giảm số lượng những sáng tạo đáng được nghiên cứu thêm xuống còn khoảng 400. Chan bình luận: “Danh sách ứng viên của chúng tôi có những hợp chất đã được nghiên cứu, những hợp chất chưa ai từng nghiên cứu, và thậm chí cả những hợp chất không nằm trong số 18.000 ban đầu. Vì vậy, chúng tôi rất phấn khởi về điều đó”. Bước tiếp theo sẽ là kiểm tra những dự đoán bằng cách sử dụng hàng loạt thí nghiệm.
Kịch bản lý tưởng sẽ là sử dụng một phòng thí nghiệm khám phá tự trị, chẳng hạn như Polybot tại Trung tâm Vật liệu nano (CNM) của Argonne – một cơ sở của Văn phòng Khoa học DOE. Polybot kết hợp sức mạnh của robot với AI phục vụ mục đích thúc đẩy khám phá khoa học mà không cần hoặc không có sự can thiệp của con người.
Bằng cách sử dụng thử nghiệm tự động để tổng hợp, mô tả đặc điểm và kiểm tra những gì tốt nhất trong số vài trăm ứng viên chính của họ, Chan và nhóm nhà khoa học dự đoán trong tương lai họ cũng có thể cải thiện phương pháp học máy hiện tại. Chan nhận định: “Chúng ta đang thực sự ở trong một kỷ nguyên mới của việc áp dụng AI và tính toán hiệu suất cao vào việc khám phá vật liệu. Bên cạnh pin mặt trời, phương pháp thiết kế của chúng tôi có thể áp dụng cho đèn LED cũng như cảm biến hồng ngoại”.
Chuyển đổi năng lượng mặt trời thành điện năng theo yêu cầu
Một nhóm nhà nghiên cứu đằng sau một hệ thống năng lượng giúp nó có thể thu năng lượng mặt trời, lưu trữ nó trong 18 năm và giải phóng nó khi nào và ở đâu cần thiết hiện đã đưa hệ thống này tiến thêm một bước nữa. Sau khi chứng minh được cách năng lượng có thể được chiết xuất dưới dạng nhiệt, giờ đây nhóm nhà nghiên cứu đã thành công trong việc đưa hệ thống sản xuất điện bằng cách kết nối nó với một máy phát nhiệt điện. Cuối cùng, nghiên cứu – được phát triển tại Đại học Công nghệ Chalmers (Thụy Điển) – có thể dẫn đến việc thiết bị điện tử tự sạc sử dụng năng lượng mặt trời được lưu trữ theo yêu cầu.
KasperMoth-Poulsen, trưởng nhóm nghiên cứu và giáo sư Khoa Hóa học và Kỹ thuật Hóa học tại Chalmers, cho biết: “Đây là một cách hoàn toàn mới nhằm tạo ra điện từ năng lượng mặt trời. Điều đó có nghĩa là chúng ta có thể sử dụng năng lượng mặt trời để sản xuất điện bất kể thời tiết, thời gian trong ngày, mùa hoặc vị trí địa lý. Đây là hệ thống khép kín có thể hoạt động mà không phát thải khí carbon gây ô nhiễm môi trường”.
Công nghệ mới dựa trên hệ thống năng lượng mặt trời MOST – hệ thống lưu trữ năng lượng mặt trời phân tử – được phát triển tại Đại học Công nghệ Chalmers. Rất đơn giản, công nghệ này dựa trên một phân tử được thiết kế đặc biệt, có thể thay đổi hình dạng khi tiếp xúc với ánh sáng mặt trời.
Nhà nghiên cứu làm việc trong phòng thí nghiệm Đại học Công nghệ Chalmers, Thụy Điển.
Thành quả nghiên cứu nhanh chóng thu hút sự quan tâm lớn trên toàn thế giới khi được trình bày ở các giai đoạn trước đó. Nghiên cứu mới được công bố trên Tạp chí Cell Reports Physical Science và được thực hiện với sự hợp tác của nhóm nhà nghiên cứu ở Thượng Hải (Trung Quốc), cho phép đưa hệ thống năng lượng mặt trời tiến thêm một bước, trình bày chi tiết cách nó có thể kết hợp với một máy phát nhiệt điện nhỏ gọn phục vụ yêu cầu chuyển đổi năng lượng mặt trời thành điện năng.
Nhóm nhà nghiên cứu Thụy Điển đã gửi phân tử được thiết kế đặc biệt của họ, chứa đầy năng lượng mặt trời, cho đồng nghiệp Tao Li và Zhiyu Hu tại Đại học Giao thông Thượng Hải, nơi năng lượng được giải phóng và chuyển đổi thành điện năng bằng cách sử dụng máy phát điện mà họ phát triển ở đó.
Về cơ bản, ánh nắng mặt trời của Thụy Điển đã được chuyển đổi thành điện năng ở Trung Quốc. Nhà nghiên cứu Zhihang Wang, Đại học Công nghệ Chalmers, bình luận: “Máy phát điện là một con chip siêu mỏng có thể được tích hợp vào thiết bị điện tử như tai nghe, đồng hồ thông minh và điện thoại. Cho đến nay, chúng tôi mới chỉ tạo ra một lượng điện nhỏ, nhưng kết quả mới cho thấy khái niệm này thực sự hoạt động”.
Nghiên cứu có tiềm năng to lớn phục vụ sản xuất năng lượng tái tạo và không phát thải CO2. Nhưng hiện nay vẫn còn rất nhiều nghiên cứu đang diễn ra và phát triển trước khi chúng ta có thể sạc mọi thiết bị công nghệ của mình hoặc sưởi ấm ngôi nhà của chính chúng ta bằng năng lượng mặt trời dự trữ của hệ thống.
Kasper Moth-Poulsen nhận định: “Cùng với nhiều nhóm nhà khoa học khác nhau trong dự án, chúng tôi hiện đang hợp tác nghiên cứu để hợp lý hóa hệ thống. Lượng điện hoặc nhiệt mà nó có thể khai thác cần phải được tăng lên”.
MOST có thể được hiểu là một hệ thống năng lượng khép kín dựa trên phân tử carbon, hydro và nitơ được thiết kế đặc biệt, khi bị ánh sáng mặt trời chiếu vào sẽ thay đổi hình dạng thành một đồng phân giàu năng lượng – phân tử được tạo thành từ các nguyên tử giống nhau nhưng sắp xếp với nhau theo một cách khác. Đồng phân sau đó có thể được lưu trữ ở dạng lỏng để sử dụng sau này khi cần thiết – chẳng hạn như vào ban đêm hoặc vào mùa đông. Nhóm nhà nghiên cứu đã tinh chỉnh thành công hệ thống này đến mức có thể lưu trữ năng lượng lên đến… 18 năm.
Một chất xúc tác được thiết kế đặc biệt giải phóng năng lượng tiết kiệm được dưới dạng nhiệt, đồng thời đưa phân tử trở lại hình dạng ban đầu, vì vậy nó có thể được tái sử dụng trong hệ thống sưởi ấm. Giờ đây, kết hợp với máy phát nhiệt điện mỏng micromet, hệ thống năng lượng cũng có thể tạo ra điện để đặt hàng.
