Trong bộ truyện tranh Doraemon nổi tiếng của Nhật Bản, chú mèo máy đến từ tương lai từng nói rằng trong tương lai, con người thường sử dụng một loại năng lượng mới có tên "ánh sáng khô", được tạo ra khi cô đặc ánh nắng mặt trời thành dạng rắn để dùng làm đèn phát sáng hoặc sưởi ấm.

Ý tưởng tưởng chừng chỉ tồn tại trong trí tưởng tượng của trẻ em đó nay đang dần trở thành hiện thực, khi các nhà khoa học tại Đại học California, Santa Barbara (UCSB) vừa công bố một bước đột phá trong lĩnh vực lưu trữ năng lượng mặt trời: một loại chất lỏng đặc biệt có khả năng hấp thụ ánh nắng và giữ nguyên lượng năng lượng đó trong nhiều tháng, thậm chí gần hai năm, mà không hề thất thoát, cho đến khi người dùng muốn giải phóng nó.

Chu trình "đóng chai ánh sáng mặt trời"

Công trình do Phó Giáo sư Grace Han cùng nhóm nghiên cứu của bà phát triển, xoay quanh một loại phân tử được gọi là Dewar pyrimidone, được thiết kế đặc biệt để phản ứng với ánh sáng mặt trời. Khi tiếp xúc với ánh nắng, mỗi phân tử trong dung dịch trải qua một sự thay đổi cấu trúc có thể đảo ngược, chuyển từ dạng năng lượng thấp sang dạng xoắn, căng đầy năng lượng.

Han Nguyen, tác giả chính của nghiên cứu, mô tả quá trình này bằng một hình ảnh quen thuộc: "Hãy nghĩ đến kính mắt đổi màu. Khi ở trong nhà, tròng kính trong suốt. Bước ra ngoài nắng, chúng tự động tối lại. Vào trong nhà, chúng lại trở nên trong suốt. Đó chính là kiểu thay đổi thuận nghịch mà chúng tôi quan tâm. Chỉ khác là thay vì đổi màu, chúng tôi dùng cơ chế đó để lưu trữ năng lượng, giải phóng khi cần, rồi tái sử dụng vật liệu lặp đi lặp lại."

Nói cách khác, mỗi phân tử hoạt động như một chiếc lò xo thu nhỏ. Ánh sáng mặt trời "vặn căng" chiếc lò xo đó và nó cứ giữ nguyên trạng thái căng đó cho đến khi có tác nhân kích hoạt, chẳng hạn nhiệt độ hoặc axit, khiến phân tử bật trở lại hình dạng ban đầu và giải phóng năng lượng dưới dạng nhiệt.

Điều đáng chú ý là phân tử Dewar isomer cực kỳ ổn định, với thời gian bán rã được tính toán lên đến 481 ngày ở nhiệt độ phòng, tức gần một năm rưỡi mà năng lượng gần như không suy hao.

Nhà nghiên cứu Grace Han của nhóm nghiên cứu

Để chứng minh khả năng thực tế, nhóm nghiên cứu đã dùng năng lượng tích trữ trong dung dịch để đun sôi nước ở điều kiện bình thường. "Đun sôi nước là một quá trình tiêu tốn nhiều năng lượng," Nguyen nói. "Việc chúng tôi có thể đun sôi nước trong điều kiện môi trường xung quanh là một thành tựu lớn."

So với pin lithium-ion, giải pháp lưu trữ điện phổ biến nhất hiện nay, dung dịch Dewar pyrimidone đạt mật độ năng lượng khoảng 1,6 MJ trên mỗi kilogram, gấp gần đôi so với mức 0,9 MJ/kg của pin lithium-ion thông thường. Khác với pin vốn phải chuyển đổi năng lượng qua nhiều bước, từ điện sang hóa học rồi ngược lại, hệ thống mới này lưu trữ năng lượng trực tiếp trong liên kết hóa học của phân tử, giúp giảm thiểu tổn thất trong quá trình chuyển đổi.

Một lợi thế thực tiễn khác là tính linh hoạt trong triển khai. Vì đây là dung dịch lỏng, nó có thể được bơm, vận chuyển và lưu trữ bằng hệ thống ống dẫn thông thường mà không cần cơ sở hạ tầng đặc biệt. Muốn tăng dung lượng lưu trữ, chỉ cần dùng nhiều dung dịch hơn.

Điều này mở ra khả năng ứng dụng rộng rãi, từ hệ thống cung cấp nước nóng, sưởi ấm không gian, nấu ăn bằng năng lượng mặt trời, cho đến lưu trữ năng lượng theo mùa, tích điện vào mùa hè để dùng cho mùa đông.

Đây chính là lý do các nhà nghiên cứu dùng cụm từ "ánh sáng mặt trời đóng chai" để mô tả công nghệ này, một hình ảnh gợi nhớ đến món bảo bối tưởng chỉ có trong thế giới của Doraemon mà nay đang dần hiện hữu ngoài đời thực.