Bạn đã bao giờ nhìn vào một chiếc lá và tự hỏi làm sao thứ nhỏ bé ấy lại có thể nuôi sống cả một cái cây? Chỉ cần ba thứ: ánh sáng mặt trời, nước và carbon dioxide. Không dây điện, không tiếng ồn. Và kết quả cuối cùng? Oxy và năng lượng được lưu trữ.
Giờ hãy tưởng tượng nếu con người cũng có thể làm điều tương tự—không phải bằng lá cây, mà bằng thiết bị tạo ra nhiên liệu sạch từ… không khí.
Điều đó không phải là viễn tưởng. Đó chính là công nghệ quang hợp nhân tạo, một trong những đột phá đầy hứa hẹn trong cuộc chiến chống biến đổi khí hậu. Hiện tại, chúng ta đã dùng tấm pin mặt trời để tạo ra điện. Nhưng điều gì sẽ xảy ra nếu ta tiến thêm một bước nữa—sử dụng ánh nắng không chỉ để thắp sáng, mà để tạo ra nhiên liệu lỏng vận hành xe hơi, máy bay và nhà máy mà không phát thải thêm carbon?
Đó chính xác là điều mà các nhà khoa học đang từng bước hiện thực hóa trong phòng thí nghiệm khắp thế giới.
Cách Hoạt Động: Mô Phỏng Cơ Chế Của Tự Nhiên
Thực vật đã thực hiện quá trình quang hợp suốt hàng trăm triệu năm. Chúng sử dụng diệp lục để hấp thụ ánh sáng, sau đó phân tách nước thành hydro và oxy. Hydro sẽ kết hợp với carbon dioxide trong không khí để tạo ra glucose—một dạng năng lượng được lưu trữ.
Quang hợp nhân tạo mô phỏng nguyên lý này, nhưng sử dụng vật liệu do con người chế tạo. Đây là cách nó hoạt động trong phòng thí nghiệm:
1. Hấp Thụ Ánh Sáng
Thay vì diệp lục, các nhà khoa học sử dụng các chất bán dẫn đặc biệt—như silicon được cải tiến hoặc oxit kim loại—để hấp thụ ánh sáng mặt trời và tạo ra điện tích.
2. Phân Tách Nước
Các điện tích này kích hoạt phản ứng phân tách nước (H₂O) thành hydro và oxy, xảy ra bên trong thiết bị gọi là tế bào quang điện hóa học.
Hydro thu được là một loại nhiên liệu sạch—khi đốt cháy chỉ tạo ra nước.
3. Chuyển Hóa Carbon
Đột phá thực sự nằm ở bước này: một số hệ thống hiện đại còn tiến xa hơn.
Chúng lấy hydro vừa tạo ra, kết hợp với CO₂ thu từ không khí, và thông qua xúc tác, chuyển hóa thành axit formic, methanol hoặc ethanol—đều là các loại nhiên liệu có thể sử dụng.
Tóm lại: ánh nắng + nước + CO₂ → nhiên liệu + oxy
Không nhiên liệu hóa thạch. Không phát thải ròng. Chỉ là năng lượng sạch luân chuyển trong hệ thống.
Vì Sao Công Nghệ Này Vượt Trội So Với Điện Mặt Trời Truyền Thống
Tấm pin mặt trời rất tuyệt, nhưng vẫn có giới hạn. Chúng chỉ hoạt động khi có nắng, và lưu trữ điện năng thường phải dùng pin—vốn đắt tiền, nặng và tiêu tốn tài nguyên. Ngược lại, nhiên liệu lỏng có mật độ năng lượng cao và dễ bảo quản. Bạn có thể trữ trong bình hàng tháng và dùng bất cứ lúc nào.
Chính vì vậy, quang hợp nhân tạo đặc biệt hữu ích cho các lĩnh vực khó điện hóa:
• Hàng không:
Máy bay cần nhiên liệu nhẹ nhưng mạnh. Methanol hoặc ethanol từ ánh nắng có thể cung cấp năng lượng mà không tạo carbon dư thừa.
• Vận tải biển:
Tàu chở hàng đường dài có thể tiếp nhiên liệu từ năng lượng mặt trời ngay tại cảng.
• Công nghiệp nặng:
Các nhà máy cần nhiệt độ cao để đốt cháy có thể chuyển sang dùng nhiên liệu tổng hợp sạch.
Không giống nhiên liệu sinh học (vốn cần đất và nước để trồng cây làm nhiên liệu), công nghệ này không chiếm đất nông nghiệp và tiêu tốn rất ít nước. Một dự án thử nghiệm năm 2023 tại phòng thí nghiệm ven biển đã hoạt động hoàn toàn bằng nước biển và CO₂ thu từ không khí, tạo ra nhiên liệu liên tục suốt hơn 150 giờ.
Những Đột Phá Gần Đây Đã Thay Đổi Cuộc Chơi
Suốt nhiều năm, quang hợp nhân tạo bị coi là quá chậm và kém hiệu quả. Nhưng các tiến bộ gần đây đã đẩy công nghệ này đến gần hiện thực hơn bao giờ hết:
1. Xúc Tác Tốt Hơn
Các nhà nghiên cứu tại Trung tâm Quang Hợp Nhân Tạo (JCAP) đã phát triển xúc tác cobalt-phosphor có thể phân tách nước hiệu quả hơn và bền hơn các phiên bản trước. Điều đặc biệt là nó hoạt động trong nước thông thường, không cần nước tinh khiết—giúp tiết kiệm chi phí và dễ triển khai hơn.
2. Chuyển Hóa CO₂ Thành Nhiên Liệu
Một nhóm nghiên cứu tại Thụy Sĩ đã tạo ra lò phản ứng dùng ánh sáng mặt trời để biến CO₂ và nước thành syngas (hỗn hợp hydro và carbon monoxide)—nguyên liệu đầu vào để sản xuất nhiên liệu lỏng. Hệ thống này đạt hiệu suất chuyển đổi ánh sáng mặt trời thành nhiên liệu ở mức 7,2%—cao kỷ lục cho công nghệ dạng này.
3. Vật Liệu Tự Phục Hồi
Một trong những trở ngại lớn là vật liệu hấp thụ ánh sáng dễ bị hỏng sau vài ngày sử dụng. Giờ đây, các lớp phủ "tự chữa lành" mới cho phép thiết bị tự phục hồi trong quá trình hoạt động, kéo dài tuổi thọ từ vài ngày lên đến vài tháng.
Theo tiến sĩ Elena Ruiz, kỹ sư hóa học đứng đầu một sáng kiến về nhiên liệu sạch: "Chúng tôi không còn hỏi 'liệu điều này có khả thi không?' nữa. Chúng tôi đang hỏi: 'Chúng ta có thể mở rộng nó nhanh đến đâu?'"
Điều Này Có Ý Nghĩa Gì Cho Tương Lai
Hãy tưởng tượng các trang trại năng lượng mặt trời không chỉ cung cấp điện cho lưới quốc gia mà còn bơm nhiên liệu. Các tấm pin trên mái nhà không chỉ tạo ra điện mà còn sạc đầy bình nhiên liệu sạch cho xe của bạn. Thậm chí là các trạm điện ở sa mạc hút CO₂ từ không khí và biến nó thành năng lượng. Đó không còn là giấc mơ xa vời. Nhiều hệ thống quy mô nhỏ đã bắt đầu sản xuất nhiên liệu. Bước tiếp theo là mở rộng làm cho chúng đủ rẻ, bền và phổ biến để thay đổi cuộc chơi. Và điều tuyệt nhất? Bởi vì những hệ thống này sử dụng CO₂ làm nguyên liệu đầu vào, chúng không chỉ sạch mà còn giúp giảm lượng khí nhà kính trong không khí. Không chỉ là năng lượng sạch—đây là công nghệ âm carbon thực thụ.
Bạn Có Thể Làm Gì Để Hỗ Trợ Sự Thay Đổi Này
Bạn không cần phòng thí nghiệm để góp phần vào cuộc cách mạng này. Hãy ủng hộ các chính sách đầu tư vào nghiên cứu năng lượng sạch. Chọn các nhà cung cấp điện xanh có đầu tư vào công nghệ mới. Và mỗi khi nghe đến "năng lượng tái tạo", hãy nhớ: tương lai không chỉ có gió và mặt trời mà còn có nhiên liệu làm từ ánh sáng. Lần tới khi bạn đổ xăng hoặc kiểm tra lượng carbon của một chuyến bay, hãy dừng lại và tự hỏi: Điều gì sẽ xảy ra nếu nhiên liệu này đến từ… không khí và ánh nắng mặt trời? Nghe như phép màu? Không đâu. Đó là khoa học—cuối cùng đã bắt kịp thiên nhiên.
