Phân cá có thể sẽ trở thành nguồn năng lượng mới cho robot hoạt động dưới nước

Hiện tại, khả năng tự chủ của các robot được Hải quân Hoa Kỳ sử dụng trong các nhiệm vụ khác nhau (khám phá đáy biển, xác định vị trí các mỏ khoáng sản dưới nước, v.v.) chưa có gì nổi bật. Robot thám hiểm sao Hỏa sử dụng lò phản ứng vi hạt nhân plutonium để duy trì hoạt động tự động trong nhiều năm, trong khi robot của Hải quân Mỹ chỉ có thể dựa vào pin để cung cấp năng lượng, chưa kể thời lượng pin cao nhất cũng chỉ có thể duy trì được trong vài ngày. Nếu robot được kết nối với tàu bằng dây cáp, phạm vi phát hiện của nó sẽ bị giảm. Vậy có thể sạc trực tiếp cho robot dưới biển không?

Bộ phận nghiên cứu của Hải quân Hoa Kỳ đã đặt mục tiêu vào pin vi khuẩn, hoặc pin sinh học, điều này đã được kiểm chứng trong các nhà máy xử lý nước thải. Khi vi khuẩn phân hủy chất hữu cơ (chẳng hạn như phân cá), các điện từ dư thừa được tạo ra. Nhưng những hạt này có thể trở nên độc hại khi chúng đạt đến nồng độ cao hơn, vì vậy vi khuẩn phải loại bỏ chúng càng sớm càng tốt. Khi có oxy xung quanh vi khuẩn, chúng sẽ kết hợp các electron và ion hydro để tạo thành nước vô hại.

Vi khuẩn sống ở trong cơ thể chúng ta, trong đất, trong nước và cả trong chất thải. Khi ăn thức ăn, chúng lấy các hạt electron từ môi trường và sau đó bài tiết ra ngoài. Nhiều nhà khoa học đã tìm ra cách để bắt các hạt electron này vào pin nhiên liệu vi sinh vật và biến chúng thành nguồn năng lượng. Về lý thuyết, vi sinh vật có mặt ở khắp mọi nơi. Nên pin dựa trên vi khuẩn có thể hoạt động ngay cả trong điều kiện tài nguyên có hạn.

Vậy làm thế nào để tạo ra dòng điện từ hiện tượng tự nhiên này? Chỉ cần tách quá trình “tạo ra điện tử” khỏi quá trình “tạo nước” và đảm bảo rằng không có oxy tham gia vào quá trình vi khuẩn phân hủy chất hữu cơ. Các điện tử được tạo ra được vận chuyển qua dây dẫn đến một ngăn khác có chứa oxy, và một dòng điện sẽ được hình thành!

Năm 2007, các nhà nghiên cứu từ Đại học Queensland ở Úc đã đi đầu trong việc thử nghiệm hệ thống này trong một nhà máy xử lý nước thải. Không chỉ sử dụng vi khuẩn để phân hủy một lượng lớn rác hữu cơ, họ còn "thu hồi" thành công dòng điện sinh ra trong quá trình đó. Ngoài ra có một thực tế khác, đáy biển không khác gì một nhà máy xử lý nước thải bởi chất thải của các loài cá và sinh vật biển được lắng đọng từ từ và liên tục từ vùng nước trên cao xuống đáy biển, tạo thành sự tích tụ chất hữu cơ và bị vi khuẩn phân hủy.

Dựa trên điều này, nhà vi sinh vật học của Hải quân Mỹ Meriah Arias-Thode đã dẫn đầu một nhóm nghiên cứu đề xuất và thử nghiệm thế hệ robot đầu tiên chạy bằng phân cá. Họ thiết đặt một dụng cụ đo lường đơn giản dưới đáy biển và đọc nhiệt độ, hàm lượng oxy, độ axit của nước sau mỗi năm phút cho đến khi nguồn năng lượng dự trữ cạn kiệt. Sau đó, đưa nó trở lại mặt đất để sạc lại.

Đối với các sinh vật nhân chuẩn và các vi sinh vật được nghiên cứu đầy đủ nhất hiện nay, trong giai đoạn cuối của quá trình hô hấp, chúng đều sử dụng chuỗi vận chuyển điện tử để chuyển năng lượng thu được từ thức ăn sang năng lượng hóa học và sử dụng oxy làm chất nhận điện tử cuối cùng. Với vi sinh vật tạo điện năng, chúng cũng sử dụng quy trình tương tự như vậy. Tuy nhiên ở bước cuối cùng, thay vì các phân tử oxy bên trong tế bào nhận điện tử, thì các điện tử này lại được chuyển trực tiếp ra bên ngoài tế bào.

Trong thử nghiệm này họ đã dùng một số thiết bị sử dụng pin truyền thống, trong khi các thiết bị khác sử dụng "pin phân cá", được sạc bằng dòng nước, liên tục mang theo phân tươi và vi khuẩn phân hủy phân.

Kết quả cho thấy loại pin truyền thống có thể duy trì hoạt động tự động của robot trong hai tháng, còn "pin phân cá" cung cấp năng lượng hơn một năm! Muria Arias-Todd kết luận: “Chi phí sản xuất của những viên pin này có thể cao hơn, nhưng tuổi thọ sử dụng lâu hơn có thể bù đắp cho những chi phí bổ sung này”.

Khi nào thì phân có thể được sử dụng để cung cấp năng lượng cho robot khám phá đại dương? Hiện tại, pin sinh học có thể cung cấp năng lượng 250 đến 500 miliwatt, bằng một phần mười công suất của bóng đèn LED. Ngay cả khi nó hoạt động, robot cần phải được đặt dưới nước trong vài tuần để được sạc đầy. Bởi vậy ở thời điểm hiện tại, điều này gần như là không thể. Bởi vậy, trong tương lại để điều này có thể trở thành hiện thực, giới khoa học sẽ cần phải thiết kế một “trạm xăng” lớn dưới nước. “Trạm xăng” này có tác dụng lưu trữ điện năng do vi khuẩn tạo ra để sạc cho các robot đi ngang qua. Bởi vậy điều này sẽ chỉ còn là vấn đề thời gian mà thôi.

Cấu tạo của pin này bao gồm hai buồng: anot và catot, được cách biệt với nhau bởi một màng có đặc tính trao đổi proton (proton exchange membrane-PEM). Tại anot, các vi sinh vật thực hiện chuyển hóa sinh học và tạo thành electron và proton. Sau đó, các proton đi vào catot thông qua màng trao đổi PEM còn điện tử thì được vận chuyển thông qua một mạch bên ngoài. Tại buồng catot, proton và điện tử phản ứng song song với nhau cùng với sự giảm oxy trong nước. Tuy nhiên, nếu có mặt oxy trong buồng anot, điện tử và proton hình thành sẽ bị ức chế hoặc sẽ có thời gian tồn tại ngắn. Vì vậy, buồng anot phải được thiết kế yếm khí để đảm bảo cho quá trình hô hấp cũng như sự tồn tại của proton và điện tử.