Dự án là một phần thuộc chương trình Năng lượng sinh học dưới biển (BLUE) do Cơ quan Chỉ đạo các dự án nghiên cứu quốc phòng tiên tiến Mỹ (DARPA) tài trợ. Mục tiêu của chương trình là xây dựng các hệ thống năng lượng dưới biển có thể tự nạp nhiên liệu để duy trì hoạt động lâu dài cho các cảm biến đại dương.

Hiện nay, phần lớn các thiết bị giám sát dưới nước đều phụ thuộc vào pin truyền thống, đòi hỏi phải thu hồi và thay thế định kỳ với chi phí lớn, đặc biệt ở những khu vực xa bờ hoặc khó tiếp cận.

Để giải quyết vấn đề này, nhóm nghiên cứu tại Đại học Công nghệ Michigan đang thử nghiệm công nghệ tế bào nhiên liệu vi sinh (Microbial Fuel Cell - MFC). Hệ thống tận dụng các vi khuẩn tự nhiên trong môi trường biển để chuyển đổi chất hữu cơ hòa tan và sinh khối cực nhỏ trong nước biển thành điện năng.

Theo các nhà nghiên cứu, công nghệ này trong tương lai có thể được ứng dụng cho các cảm biến phục vụ quốc phòng hải quân, hệ thống theo dõi hệ sinh thái biển và mạng lưới cảm biến âm thanh dưới nước.

Bà Amy Marcarelli, giáo sư khoa học sinh học tại Đại học Công nghệ Michigan, cho biết nhu cầu triển khai các loại cảm biến trong môi trường biển đang ngày càng tăng nhằm theo dõi điều kiện sinh thái, sự di cư của sinh vật biển cũng như các hoạt động liên quan đến quốc phòng.

Nhóm nghiên cứu đã hoàn thành một đợt thử nghiệm kéo dài 30 ngày tại vịnh Chesapeake. Trong khi chìm hoàn toàn dưới nước, các nguyên mẫu vẫn duy trì khả năng sản xuất điện ổn định.

Tế bào nhiên liệu vi sinh hoạt động bằng cách sử dụng các loại vi khuẩn có khả năng giải phóng electron trong quá trình trao đổi chất. Các electron này di chuyển giữa cực dương và cực âm để tạo thành dòng điện có thể khai thác.

Tuy nhiên, môi trường biển đặt ra nhiều thách thức kỹ thuật. So với môi trường mà công nghệ MFC thường được ứng dụng như nước thải ở nhà máy, nước biển chứa lượng chất hữu cơ thấp hơn đáng kể. Ngoài ra, nồng độ oxy cao trong đại dương cũng làm giảm hiệu quả tạo điện của vi sinh vật.

Để cải thiện hiệu suất, các nhà khoa học đã bổ sung than hoạt tính dạng hạt vào bên trong các tế bào nhiên liệu hình ống. Vật liệu này giúp tập trung chất hữu cơ và tạo bề mặt cho vi sinh vật hình thành màng sinh học, từ đó tiếp tục tạo điện ngay cả trong môi trường giàu oxy.

Bà Marcarelli cho biết, bản chất của hệ thống là khai thác quá trình di chuyển electron tự nhiên của vi sinh vật trong hoạt động trao đổi chất để tạo ra dòng điện sử dụng được.

Ngoài việc nâng cao hiệu quả năng lượng, nhóm nghiên cứu cũng thiết kế lại hệ thống theo hướng mô-đun hóa nhằm đơn giản hóa quá trình triển khai ngoài thực địa. Các phiên bản mới có thể xếp chồng nhiều đơn vị với hệ thống bơm và bảng điều khiển riêng biệt.

Những nguyên mẫu mới nhất đã được thử nghiệm tại vịnh Galveston cho thấy ba trong số bốn thiết bị thử nghiệm đã tạo ra điện thành công khi hoạt động dưới nước.

Các nhà nghiên cứu cho biết hệ thống được thiết kế để hoạt động hoàn toàn độc lập dưới biển mà không cần năng lượng từ sóng mặt nước hay sự can thiệp thường xuyên của con người. Điều này có thể giúp các cảm biến dưới nước duy trì hoạt động trong thời gian dài tại các khu vực hẻo lánh.

Song song với việc thử nghiệm thực địa, nhóm nghiên cứu còn xây dựng các mô hình dự đoán dựa trên dữ liệu viễn thám và dữ liệu môi trường nhằm xác định những khu vực ven biển có tiềm năng tạo ra đủ điện năng cho các hệ thống MFC.

Ông Michael Sayers, nhà khoa học trưởng tại Viện Nghiên cứu Michigan Tech, cho biết nhóm đang kết hợp dữ liệu vệ tinh, dữ liệu thực địa, thử nghiệm trong phòng thí nghiệm và kết quả triển khai thực tế để đánh giá hiệu quả hoạt động của công nghệ này.

Trong giai đoạn tiếp theo, các nhà nghiên cứu dự kiến triển khai thử nghiệm quy mô lớn hơn với 10 tế bào nhiên liệu vi sinh tại vịnh Chesapeake. Mục tiêu là đánh giá khả năng vận hành dài hạn và xác định liệu công nghệ này có thể hỗ trợ các hệ thống dưới nước hoạt động liên tục trong suốt một năm hay không.