Độc đáo công nghệ biến mồ hôi thành nhiên liệu cho pin sinh học 

Ai cũng thích có một chiếc đồng hồ thông minh hay những vật dụng điện tử có các tính năng tuyệt vời. Tuy nhiên, điều gây ra sự khó chịu duy nhất khi sử dụng các thiết bị điện tử này là liên tục phải sạc pin. Thời lượng pin của một thiết bị thường tỷ lệ thuận với kích thước của pin. Rõ ràng, pin càng lớn thì càng nặng và gây ra bất tiện.

Năng lượng yêu cầu cho những thiết bị thông minh có thể dao động từ 1 miliwatt đối với một chiếc máy đếm bước chân cơ bản cho đến hàng chục miliwatt đối với những chiếc đồng hồ hiện đại hơn.

Các loại pin kích thước tính bằng centimet hiện nay chỉ đủ tích trữ từ 10 đến 300 mAp. Điều đó có nghĩa là thời lượng sử dụng pin cho một thiết bị sau một lần sạc tối đa là vài ngày.

Để giải quyết vấn đề nguồn năng lượng cho những thiết bị đeo hoặc mang trên người trong tương lai, các nhà nghiên cứu tại Trung tâm Cảm biến thuộc Đại học California (thành phố San Diego, Mỹ) đã tìm ra giải pháp tổng hợp nguồn năng lượng sinh học từ chính người đeo thiết bị. Những thiết bị đeo sử dụng nguồn năng lượng này có thể nhỏ đến mức người sử dụng quên mất chúng đang tồn tại. Các nhà nghiên cứu gọi đó là những thiết bị đeo "không thể nhận ra". 

Tạo năng lượng từ cơ thể người

Nguồn năng lượng sinh học thực tiễn đầu tiên là mồ hôi cơ thể người.

Việc tổng hợp nguồn năng lượng từ cơ thể người hay những thứ liên quan đến nó không phải là sáng kiến mới. Từ những năm 1770, các nhà khoa học đã phát minh ra đồng hồ tự lên dây cót sử dụng chuyển động tự nhiên của cơ thể để hoạt động. Trong những mẫu đời đầu của những chiếc đồng hồ cơ, trục cân bên trong có chức năng khiến kim đồng hồ quay. Sau này, người ta nghĩ ra trục cân từ tính với hình dạng đồng xu có khả năng tích trữ năng lượng để tạo thành một viên pin.

Thân nhiệt cũng là một yếu tố mà các nhà khoa học từng khai thác để tạo năng lượng. Trong hầu hết các loại khí hậu, nhiệt độ cơ thể người luôn lớn hơn nhiệt độ môi trường. Dựa vào đặc điểm này, các nhà sáng chế đã tạo ra đồng hồ thông minh PowerWatch sử dụng chính nhiệt năng của cơ thể để cung cấp năng lượng cho thiết bị.

Tuy nhiên, những phương pháp trên vẫn có mặt hạn chế. Ví dụ như phương án tạo năng lượng bằng chuyển động cơ thể người, giải pháp này không phù hợp với những bộ phận ít chuyển động như ngực, tai. Hay như khi thiết bị nằm trong lớp quần áo, các lựa chọn nhiệt điện và quang điện đều không hiệu quả.

Đó là lý do vì sao các nhà khoa học lại tìm đến năng lượng từ mồ hôi. Một số hóa chất có trong mồ hôi có thể được tận dụng làm nhiên liệu cho pin sinh học. Loại pin nhiên liệu sinh học này có thể cung cấp năng lượng cho các thiết bị thông minh mang trên người nhiều hơn bất kỳ phương pháp nào hiện có. Các nhà khoa học tại Đại học California đã phát triển nguyên mẫu các thiết bị đeo dùng nguồn năng lượng tạo ra từ mồ hôi.

Cách thức chuyển hóa mồ hôi thành năng lượng 

Một cục pin bao gồm hai điện cực - cực dương và cực âm - với chất điện phân nằm giữa. Nhiên liệu đi vào cực dương – tại đây chất xúc tác phân tách các phân tử thành các electron và proton. Các proton đi qua một lớp màng đến cực âm, trong khi các electron chạy thành một mạch điện. 

Người đầu tiên tìm ra nguyên lý này là nhà khoa học xứ Wales William Robert vào năm 1839. Ông đã sử dụng hydro làm nhiên liệu và oxy làm chất xúc tác để tạo ra nước và dòng điện.

Tuy nhiên, hydro không thể phù hợp với pin nhiên liệu trong thiết bị thông minh đeo trên người vì nó rất dễ cháy. Trong khi đó, mồ hôi lại dễ dàng tiết ra nhiều, đặc biệt là khi một người tập thể dục hoặc chơi thể thao. Đây cũng là nhóm người thường sử dụng các thiết bị thông minh đeo trên người. Họ đại diện cho các nhóm khách hàng đầu tiên mà các công ty cần nhắm tới một khi thiết bị sử dụng năng lượng mồ hôi ra đời.

Mồ hôi không đơn thuần là nước. Nó chứa một lượng các loại khoáng chất và các chất khác như glucose và lactate. Những chất này, được gọi là chất chuyển hóa, là sản phẩm phụ của các quá trình hóa học liên tục diễn ra bên trong cơ thể sống. Những chất này có thể tạo ra một nguồn nhiên liệu sinh học hấp dẫn, đặc biệt là lactate vì nồng độ của nó trong mồ hôi tỷ lệ thuận với hoạt động cơ thể người.

Để chế tạo pin sinh học, các nhà khoa học tạo ra một lớp enzym phản ứng với lactate trong mồ hôi để phân tách các electron và proton, từ đó tạo ra dòng điện.

Một trong những thách thức mà nhóm khoa học phải giải quyết là tăng công suất cho pin năng lượng sinh học. Vào năm 2017, các nhà khoa học tại Đại học California đã tạo ra ống nano carbon 3D ở dạng viên nhỏ có thể gắn vào hai đỉnh cực dương và cực âm. Những viên nhỏ này có tác dụng tăng diện tích bề mặt các điện cực mà không làm tăng diện tích thực của thiết bị. Từ đó chúng cho phép các điện cực có nhiều chất xúc tác hơn và tạo ra nhiều năng lượng hơn.

Bên cạnh thách thức trên, một vấn đề được đặt ra cho các nhà khoa học là trong hầu hết các tình huống, mọi người không đổ mồ hôi liên tục, hoặc ít nhất không đủ nhiều để tạo ra nguồn điện trừ trường hợp luyện tập thể thao.

Có ba phương án để khắc phục hạn chế trên. Một là các nhà khoa học chỉ sử dụng cơ chế này cho một số thiết bị hướng tới nhóm đối tượng nhất định như vận động viên – những người luôn đảm bảo lượng mồ hôi cần thiết đủ cho thiết bị hoạt động. Thứ hai là tạo thêm một bộ phận tích trữ năng lượng vào thiết bị. Cuối cùng là các nhà khoa học tính đến nguồn điện bổ sung.

Tuy nhiên, vì không muốn giới hạn ứng dụng cho một nhóm đối tượng, các nhà khoa học đã nghĩ đến giải pháp phát triển nguồn điện đa năng sử dụng nhiều dạng năng lượng để thiết bị đeo hoạt động.

Người dùng có thể không phải lúc nào cũng đổ mồ hôi. Nếu thiết bị đeo của họ kết hợp pin nhiên liệu sinh học với pin có năng lượng tạo ra từ chuyển động hoặc thân nhiệt cơ thể, lượng điện sản sinh ra sẽ nhiều hơn so với việc chỉ sử dụng một nguồn duy nhất.