Bạn đã bao giờ bước trên mặt đất đóng băng và cảm thấy cái lạnh buốt giá dưới gót giày chưa? Hãy tưởng tượng nếu lớp đất đóng băng đó không chỉ là đất bình thường mà còn là một nguồn năng lượng tiềm ẩn.

Sâu trong lớp đất đóng băng vĩnh cửu ở Bắc Cực, các nhà khoa học đã phát hiện ra một điều đáng kinh ngạc: pin vi khuẩn tạo ra dòng điện nhỏ khi băng tan.

Nghe có vẻ giống như trong phim khoa học viễn tưởng, nhưng những cục pin đất đông lạnh này là có thật—và chúng có thể là cách âm thầm lưu trữ và giải phóng năng lượng của hành tinh này.

Khi băng gặp điện

Đất đóng băng vĩnh cửu là một hỗn hợp kỳ lạ của đất đóng băng, khoáng chất và vật chất hữu cơ cổ xưa. Ẩn bên trong là hàng tỷ vi khuẩn ngủ đông. Khi nhiệt độ tăng lên và đất tan chảy, các vi sinh vật này hoạt động trở lại—và trong quá trình đó, một điều đáng chú ý đã xảy ra: các electron bắt đầu chảy.

Vi khuẩn như những máy phát điện mini – Một số vi khuẩn được gọi là vi khuẩn sinh điện, nghĩa là chúng có thể truyền electron ra bên ngoài tế bào của chính mình. Khi đất đóng băng vĩnh cửu tan chảy, những vi khuẩn này ăn những mảnh cacbon hữu cơ nhỏ và giải phóng electron, tạo ra một mạch điện tự nhiên trong đất.

Điện cực đóng băng – Các khoáng chất như oxit sắt và mangan hoạt động như các điện cực tích hợp. Khi vi khuẩn tương tác với các kim loại này, các electron sẽ nhảy giữa các hạt—giống như trong một cục pin nhỏ.

Phát hiện dòng điện – Các nhà nghiên cứu đã đặt các vi điện cực trực tiếp vào đất đóng băng vĩnh cửu đang tan chảy và đo các xung điện áp. Dòng điện này tuy nhỏ—thường chỉ trong phạm vi microampe—nhưng lại ổn định và có thể lặp lại, chứng minh rằng hiệu ứng "pin đông lạnh" là có thật.

Khám phá này buộc các nhà khoa học phải xem xét lại hình thức sản xuất năng lượng—đặc biệt là ở những nơi dường như không có sự sống.

Khoa học đằng sau năng lượng sống

Vậy chính xác thì vi khuẩn trong môi trường lạnh tạo ra điện như thế nào? Câu trả lời nằm ở cách chúng hô hấp.

Trao đổi electron thay vì oxy – Trong đất nghèo oxy, một số vi khuẩn sử dụng kim loại hoặc các phân tử khác làm chất thay thế cho quá trình hô hấp. Khi chúng làm vậy, electron được giải phóng và chảy qua các khoáng chất xung quanh.

Mạng lưới màng sinh học – Những vi khuẩn này thường hình thành các lớp mỏng, nhớt gọi là màng sinh học, hoạt động như những cầu dẫn điện, cho phép điện di chuyển giữa các tế bào và các hạt đất.

Tác nhân kích hoạt nhiệt độ – Khi mặt đất đóng băng tan chảy, các enzyme và quá trình trao đổi chất khởi động lại, tăng cường các hệ thống điện nhỏ bé này. Các nhà khoa học thậm chí còn phát hiện ra rằng các sự kiện ấm lên ngắn ngủi có thể gây ra "bùng nổ năng lượng" tạm thời, có thể đo được bằng những thay đổi điện áp đột ngột.

Những phản ứng ở quy mô vi mô này một ngày nào đó có thể truyền cảm hứng cho các cảm biến điện hóa sinh học - các thiết bị nhỏ chạy bằng đất, theo dõi sự thay đổi môi trường mà không cần nguồn điện bên ngoài.

Tại sao nó quan trọng hơn bạn nghĩ

Pin đất đóng băng không chỉ là một khám phá thú vị trong phòng thí nghiệm—nó có thể định hình lại cách chúng ta hiểu về biến đổi khí hậu và năng lượng tái tạo.

Phản hồi khí hậu – Khi lớp đất đóng băng vĩnh cửu tan chảy, nó giải phóng không chỉ carbon mà còn cả năng lượng điện, có thể báo hiệu hoạt động của vi khuẩn trước khi khí nhà kính thoát ra. Các nhà khoa học có thể sử dụng những tín hiệu này để dự đoán thời điểm và địa điểm phát thải sẽ tăng đột biến.

Điện ngoài lưới điện – Nếu các nhà nghiên cứu có thể khuếch đại điện vi khuẩn này, nó có thể giúp cung cấp năng lượng cho các cảm biến nhỏ hoặc trạm giám sát ở các vùng Bắc Cực xa xôi—không cần pin hay pin nhiên liệu.

Nghiên cứu vật liệu mới – Các quá trình sinh học tương tự có thể truyền cảm hứng cho các dây dẫn sinh học mới hoặc các mạch tự sửa chữa, được mô phỏng theo cách các vi khuẩn này tồn tại trong đất đóng băng.

Tóm lại, pin đất đóng băng vĩnh cửu có thể vừa là một hệ thống cảnh báo cho hành tinh vừa là bản thiết kế cho năng lượng bền vững.

Từ băng hà cổ đại đến đổi mới tương lai

Đây mới là điều tuyệt vời: một thứ gì đó đóng băng và im lặng hàng ngàn năm có thể ẩn chứa manh mối cho tương lai của năng lượng sạch. Những vi khuẩn từng ăn thực vật Kỷ Băng Hà giờ đây đang lặng lẽ tạo ra điện, hé lộ về những công nghệ sống - những hệ thống có thể sản xuất điện, tự phục hồi và thích nghi với môi trường.

Lần tới khi bạn nhìn thấy hình ảnh vùng lãnh nguyên Bắc Cực đang tan chảy, đừng chỉ thấy băng và đất. Hãy nhìn kỹ hơn. Bên dưới bề mặt tan chảy, những tia lửa điện cực nhỏ đang nhảy múa - một nguồn năng lượng tiềm ẩn đang chờ được khám phá. Đó là lời nhắc nhở rằng ngay cả ở những nơi lạnh giá và yên tĩnh nhất, sự sống vẫn tìm ra cách để cung cấp năng lượng cho thế giới theo những cách không ngờ tới.