Ảnh: Binghamton University

Nghiên cứu do Giáo sư Seokheun "Sean" Choi, Khoa Điện và Kỹ thuật Máy tính, Trường Kỹ thuật và Khoa học Ứng dụng Thomas J. Watson, Đại học Binghamton, dẫn dắt, với sự tham gia của nghiên cứu sinh Guangya "Roger" Yuan và Tiến sĩ Yang "Lexi" Gao.

Theo thông tin nghiên cứu được công bố trên tạp chí Advanced Energy Materials, thiết bị sử dụng các máy phát điện từ độ ẩm (MEG) siêu nhỏ để hấp thụ phân tử nước trong không khí. Nước được hấp thụ làm thúc đẩy sự di chuyển của các ion trong vật liệu, tạo ra sự chênh lệch điện tích và hình thành điện áp giữa hai mặt thiết bị.

Nhóm nghiên cứu cho biết công nghệ này không nhằm thay thế các nguồn điện công suất lớn. Thay vào đó, nó có thể cung cấp năng lượng cho các thiết bị tiêu thụ ít điện như cảm biến môi trường, mô-đun truyền thông không dây và thiết bị thu thập dữ liệu cho mạng lưới Internet vạn vật (IoT).

Tận dụng độ ẩm trong nhà

Các thiết bị phát điện từ độ ẩm trước đây chủ yếu được phát triển cho môi trường ngoài trời. Tuy nhiên, điều kiện ngoài trời thường biến động do ánh nắng và thời tiết khiến lượng điện tạo ra không ổn định.

"Môi trường trong nhà duy trì độ ẩm rất ổn định trong khoảng 30% đến 60%, và các hoạt động của người ở như hô hấp, nấu nướng và tắm rửa còn tạo ra thêm độ ẩm cho không khí", Giáo sư Choi nói.

Thách thức của nhóm là tạo ra một thiết bị vừa có thể hoạt động trên diện tích lớn, vừa phù hợp với hình thức của giấy dán tường và có khả năng sản xuất hàng loạt.

Các máy phát điện từ độ ẩm thông thường có những khu vực riêng để hấp thụ và giải phóng hơi nước. Sự chênh lệch về độ ẩm giữa các khu vực giúp duy trì quá trình phân tách điện tích.

Khi mở rộng thiết kế này lên diện tích tương đương một bức tường, việc kiểm soát hướng di chuyển của hơi ẩm trở nên khó khăn. Vì vậy, nhóm nghiên cứu đã dựa trên công trình nghiên cứu điện tử trên nền giấy "papertronics" của Giáo sư Choi để phát triển cấu trúc MEG mới, có hình thức tương tự một vi mạch trên bảng mạch.

Trong thiết kế, hợp chất glycerol được dùng ở các cạnh có nhiệm vụ thu giữ hơi ẩm. Cấu trúc polyvinylpyrrolidone (PVP) ở trung tâm kiểm soát quá trình giải phóng và bay hơi nước. Cách bố trí này tạo ra hướng di chuyển của hơi ẩm từ vùng hấp thụ đến vùng bay hơi, duy trì điều kiện cần thiết để phát điện.

Các thành phần được thiết kế theo hướng có thể in, giúp mở ra khả năng sản xuất quy mô lớn. "Không dễ để tích hợp ba khu vực khác nhau vào một tờ giấy, nhưng tôi muốn tất cả đều có thể in được để chúng ta có thể sản xuất hàng loạt và ở quy mô lớn hơn", Giáo sư Choi nói.

Nhóm cũng bố trí hệ thống dây dẫn ở mặt sau giấy dán tường nhằm giữ bề mặt phía trước gọn gàng. Các MEG được thử nghiệm với cách mắc nối tiếp và song song, song hai phương án cho kết quả tương tự.

Hiện nhóm hướng tới sử dụng các mảng MEG để cung cấp điện cho những thiết bị nhỏ như cảm biến môi trường và bàn phím không dây. Công nghệ này đồng thời có thể hỗ trợ kiểm soát độ ẩm trong nhà.

Theo giáo sư, hệ thống điều hòa hiện nay tiêu tốn đáng kể năng lượng để loại bỏ hơi ẩm khỏi không khí. Việc tận dụng chính nguồn hơi ẩm này để tạo điện có thể mở ra hướng tiếp cận mới cho các thiết bị điện tử trong nhà.