Dùng ánh sáng mặt trời biến nước biển thành nước ngọt

Mùa Hè nắng nóng và hạn hán khắc nghiệt trên khắp thế giới vừa qua là lời nhắc nhở rằng khan hiếm nước là một vấn đề cấp bách và sẽ trở nên tồi tệ hơn khi biến đổi khí hậu.

Theo Tổ chức Y tế Thế giới (WHO), hơn hai tỷ người trên thế giới không được tiếp cận dễ dàng với nước sạch. Do vậy, “Nhà máy” lọc nước biển dùng ánh sáng mặt trời là một giải pháp đáng chú ý.

Hệ thống dùng năng lượng mặt trời

Một số quốc gia, nhất là vùng Trung Đông đang dùng các nhà máy loại bỏ muối khỏi nước biển để đáp ứng nhu cầu nước ngọt của họ. Nhưng các nhà máy như vậy vẫn chủ yếu chạy bằng nhiên liệu hóa thạch, sử dụng nhiều năng lượng và quá trình này tạo ra một loại nước thải cực kỳ mặn có thể gây hại cho hệ sinh thái biển khi nó được bơm trở lại biển.

Mô hình nhà nổi ngưng tụ hơi nước trên mặt biển. Ảnh: Manhat

Đó là lý do tại sao một số công ty khởi nghiệp và nhà nghiên cứu đang cập nhật công nghệ dùng năng lượng mặt trời để tách nước ngọt ra rừ nước biển mặn đã có hàng thế kỷ trước.

Mặc dù công nghệ này vẫn còn lâu mới có thể tạo ra lượng nước ngọt lớn như các nhà máy khử muối tạo ra, nhưng nó có thể chứng tỏ giá trị đối với các cộng đồng ven biển, nơi không kết nối được với hệ thống cung cấp nước ngọt từ các nhà máy.

Công ty khởi nghiệp Manhat có trụ sở tại Abu Dhabi, được thành lập vào năm 2019, đang phát triển một thiết bị nổi có thể chưng cất nước mà không cần điện. Nó bao gồm một cấu trúc nhà kính nổi trên bề mặt đại dương: Ánh sáng mặt trời làm nóng và làm bốc hơi nước bên dưới cấu trúc – tách nó khỏi các tinh thể muối bị bỏ lại dưới biển – và khi nhiệt độ nguội đi, nước ngưng tụ thành nước ngọt và được thu thập bên trong.

Tiến sĩ Saeed Alhassan Alkhazraji, người sáng lập công ty và là Phó Giáo sư tại Đại học Khalifa của Abu Dhabi cho biết: “Hệ thống dùng năng lượng mặt trời để lấy nước ngọt từ nước biển thực sự giống với chu trình nước tự nhiên”. Ông cho biết, hiện tượng bốc hơi bằng năng lượng mặt trời từ lâu đã được sử dụng cho mục đích này, nhưng thông thường nước được đổ vào một cái chậu, khi nước bay hơi hết, muối sẽ bị bỏ lại.

Không giống như hệ thống dùng năng lượng mặt trời truyền thống, thiết bị của Manhat trôi nổi trong đại dương, hút nước trực tiếp từ biển. Tiến sĩ Saeed Alhassan Alkhazraji cho biết, muối không tích tụ trong thiết bị và góc nghiêng của xi lanh thu gom ngăn các giọt nước bay hơi trở lại biển.

Đầu năm nay, công nghệ được cấp bằng sáng chế của Manhat đã giành được giải thưởng Sáng tạo của nước châu Âu dành cho các DN vừa và nhỏ với các giải pháp đột phá trong lĩnh vực nước, được khen ngợi vì khả năng sản xuất nước ngọt với “không khí thải carbon và không thải nước muối”.

Công ty khởi nghiệp này có kế hoạch khai thác công nghệ của mình trong các trang trại nổi, nơi sẽ sử dụng các thiết bị khử muối để cung cấp nước ngọt tưới cho cây trồng mà không cần vận chuyển nước và phát thải liên quan.

Điều này sẽ có lợi cho các khu vực ven biển khô cằn, nơi có nhiều đất canh tác, Alhassan nói. Ông cho biết thêm: “Nếu bạn sản xuất nước (ngọt) trên bề mặt biển và sử dụng nó cho nông nghiệp, bạn có thể cho phép tái tạo diện tích đất canh tác một cách hiệu quả”. Ông nói thêm rằng công nghệ này có thể hoạt động hiệu quả đối với các quốc gia như Maldives vốn có ít đất đai.

Phát triển dựa trên công nghệ nói trên, vào năm 2020, các nhà nghiên cứu tại Viện Công nghệ Massachusetts (MIT) đã phát triển một hệ thống khử muối nổi bao gồm một thiết bị bay hơi nhiều lớp tái chế nhiệt sinh ra khi hơi nước ngưng tụ, tăng hiệu quả tổng thể của nó.

Trong khi các thử nghiệm thực địa đang diễn ra, nó được quảng cáo là một công nghệ có thể “có khả năng phục vụ các khu vực ven biển khô cằn không có lưới điện để cung cấp nguồn nước hiệu quả, chi phí thấp”.

Các nhà nghiên cứu cho rằng nó có thể được cấu hình như một bảng điều khiển nổi trên biển, cung cấp nước ngọt qua các đường ống vào bờ hoặc nó có thể được thiết kế để phục vụ một hộ gia đình, sử dụng nó trên một bể nước biển.

Mở rộng quy mô

Geoff Townsend, người làm việc về các cải tiến trong vấn đề khan hiếm nước cho công ty xử lý nước và vệ sinh Ecolab, tin rằng mặc dù các cải tiến về năng lượng mặt trời vẫn chưa thể thay thế phương pháp khử muối thông thường, nhưng chúng có thể “bổ sung cho công nghệ hiện có, giảm lượng khí thải carbon tổng thể của quá trình khử muối”.

Một thách thức lớn hơn đối với loại công nghệ dùng năng lượng mặt trời để lọc nước là quy mô. Geoff Townsend nói: Một nhược điểm là hiệu quả của chúng rất thấp, hơn nữa chúng có xu hướng chiếm nhiều không gian dù chỉ tạo ra lượng nước nhỏ.

Nguyên mẫu nổi hiện tại của Manhat có diện tích 2,25m2 nhưng chỉ có 1m2 mở ra mặt nước, tạo ra 1,5 lít nước ngọt mỗi ngày.

Geoff Townsend cho biết, Manhat đang nỗ lực để tăng khối lượng này lên 5 lít/ngày, bằng cách tối ưu hóa vật liệu và thiết kế, với mục tiêu dài hạn là đạt ít nhất 20 lít/ngày.

Cho đến nay, startup này đã huy động được 130.000 USD tiền tài trợ, chủ yếu thông qua sự hợp tác với Abu Dhabi Ports, nhưng với việc tăng cường đầu tư, anh ấy tự tin có thể đạt được các mục tiêu này.

Một cuộc thử nghiệm về khái niệm trang trại nổi sẽ bắt đầu vào năm tới. Bằng cách liên kết nhiều thiết bị mô-đun trong một hệ thống lưới, Manhat tin rằng công nghệ hiện tại của họ có thể cung cấp đủ nước để trồng các loại cây trồng ít tốn nước hơn, chẳng hạn như nấm. Khi các thiết bị cải tiến để đạt hiệu suất cao hơn, họ có thể bắt đầu nhắm mục tiêu đến các loại cây trồng khác như rau diếp hoặc cà chua.

Bất chấp những thách thức, tiến sĩ Saeed Alhassan Alkhazraji tin rằng một ngày nào đó, hệ thống lọc nước dùng năng lượng mặt trời sẽ trở thành nguồn cung cấp nước ngọt quan trọng. Ông nói: “Chúng ta phải chấp nhận một thực tế rằng nước biển phải đóng vai trò quan trọng trong việc cung cấp nước ngọt. Đồng thời, chúng ta cần có một giải pháp giảm thiểu lượng khí thải CO2 và loại bỏ hoàn toàn nước muối”.