Vi tảo: Nguồn năng lượng tiềm năng cho tương lai IoT

Hệ thống thử nghiệm được chế tạo từ những vật liệu thông thường, rẻ và dễ tái chế, với kích thước chỉ tương đương một khối pin AA, chứa đầy vi khuẩn lam Synechocystis sp (không độc). Dòng điện sinh ra từ quá trình tảo quang hợp sẽ được sử dụng để cung cấp cho con chip ARM Cortex M0+ (một thiết kế đang rất phổ biến trên các thiết bị IoT- internet vạn vật).

“Sự phát triển của mạng IoT sẽ cần rất nhiều năng lượng, và chúng tôi nghĩ nguồn cung nên tới từ những hệ thống có khả năng sản xuất điện hơn là chỉ lưu trữ đơn thuần,” GS. Christopher Howe từ Khoa Hóa sinh, Đại học Cambridge – đồng tác giả nghiên cứu – nhận định. Ông nói thêm: “Thiết bị của chúng tôi sẽ không bị cạn kiệt giống như các khối pin bởi nó lấy năng lượng từ ánh sáng tự nhiên”. Vi tảo không cần cho ăn mà tự tạo ra thức ăn bằng cách quang hợp. Mặc dù quá trình quang hợp đòi hỏi ánh sáng nhưng hệ thống vẫn có thể sản sinh ra điện ngay cả trong lúc tối.

Vi khuẩn lam Synechocystis sp. Ảnh: Michelle Liberton 

Thật vậy, hệ thống đã vận hành ròng rã suốt 6 tháng trong điều kiện phòng thí nghiệm và bán mở với ánh sáng tự nhiên cùng nhiệt độ thay đổi. “Chúng tôi vô cùng ngạc nhiên trước sự bền bỉ của nó. Ban đầu chúng tôi đã nghĩ nó sẽ chấm dứt hoạt động chỉ sau vài tuần nhưng đến giờ vẫn đang cấp điện,” TS. Paolo Bombelli – tác giả đứng đầu bài báo (first author) công bố trên tạp chí Energy & Environmental Science – phát biểu. Hệ thống được đánh giá là đặc biệt hữu ích đối với những nơi hẻo lánh chưa có lưới điện và cần triển khai các thiết bị IoT.

IoT là một mạng thiết bị điện tử khổng lồ (lên tới hàng tỷ), từ đồng hồ thông minh (smartwatch) cho đến các cảm biến đo nhiệt độ ở nhà máy điện,… Từng thiết bị như vậy lại được trang bị những con chip tiết kiệm năng lượng cùng bộ thu phát sóng không dây (wireless) và cần điện để hoạt động, liên tục thu thập và chia sẻ dữ liệu theo thời gian thực (real time) trên nền tảng internet. Theo dự báo, số thiết bị IoT trên toàn thế giới sẽ đạt 1000 tỷ vào năm 2035, và như vậy sẽ cần rất nhiều nguồn cấp điện di động. Các tác giả tin rằng sẽ không đủ và không thực tế nếu chỉ sử dụng pin lithium-ion bởi nhân loại cần phải sản xuất lượng lithium nhiều gấp 3 lần năng lực hiện nay. Ngoài ra, ngành công nghiệp pin lithium cũng tiềm ẩn rất nhiều rủi ro môi trường.

Nghiên cứu trên là thành quả hợp tác giữa Cambridge và ARM – công ty nổi tiếng với kiến trúc vi xử lý đang được áp dụng cho những con chip của Apple, Qualcomm, Samsung, MediaTek,… Các kỹ sư của ARM đã giúp thiết kế hệ thống sử dụng chip ARM Cortex M0+, chế tạo bảng mạch và cài đặt giao diện trình thu thập dữ liệu đám mây. Ngoài ra, nghiên cứu còn được Trung tâm Đổi mới Sáng tạo Quốc gia về Công nghệ Màng vi sinh (NBIC) tài trợ.

Nguồn: Bombelli, P. et al: ‘Powering a Microprocessor by Photosynthesis.’ Energy & Environmental Science, May 2022. DOI: 10.1039/D2EE00233G