Có vẻ các nhà khoa học đang tiến gần hơn đến một bước đột phá mới trong việc đối phó với tình trạng biến đổi khí hậu, đó là chuyển đổi dioxide carbon (CO₂) thành nhiên liệu ở quy mô thương mại, và nếu bước đột phá này thành công, hiện tượng trái đất nóng lên có thể có được một giải pháp lớn góp phần giải quyết vấn đề.

Hàng loạt bài báo trên các tập san chuyên đề về khoa học-công nghệ thời gian qua đã nêu bật thành tựu này, sau nhiều thập kỷ ý tưởng biến CO₂ thành năng lượng được đề xuất nghiên cứu sâu.

Công nghệ mới chuyển đổi CO₂ thành nhiên liệu

Một trong những công nghệ khí hậu gây chú ý nhất đến từ một startup có tên SpiralWave, với một thiết bị được TechCrunch giới thiệu tại sự kiện TechCrunch Disrupt 2024. Thiết bị trình diễn là một cột cao trong suốt với các khối plasma trông huyền bí (spooky-looking) xoáy lên.

Khi plasma xoáy lên cột, nó hút carbon dioxide ra khỏi không khí và trong quá trình đó, chuyển đổi khí này thành methanol xanh – một nguồn nhiên liệu có thể được sản xuất bền vững và giảm phát thải carbon tới 95%, theo tuyên bố của các nhà phát triển.

“Bạn có thể thấy plasma ở đây trong những nhịp xung rất nhanh (very quick pulses),” CEO và đồng sáng lập Abed Bukhari nói với TechCrunch. “Với mỗi xung, nó phá vỡ CO₂,” theo trang https://futurism.com.

Bukhari cho biết anh đã nảy ra ý tưởng này khi làm việc tại startup trước đó, nơi anh cần sử dụng plasma lạnh – một dạng plasma mát hơn thường thấy trong đèn huỳnh quang – để chế tạo thiết bị riêng của mình.

“Tôi cần tạo ra một thứ gì đó có thể giải quyết thử thách lớn nhất mà chúng ta đối mặt hiện nay trên Trái Đất, đó là loại bỏ một lượng CO₂ khổng lồ,” Bukhari nói với TechCrunch.

Tại SpiralWave, anh đã chế tạo hai nguyên mẫu: Nanobeam nhỏ hơn và Microbeam cao hơn 1,8 mét, là thiết bị được trình diễn tại sự kiện. Phương thức hoạt động của chúng khá thông minh: các sóng plasma thực chất là kết quả của ba nhịp xung sóng vi ba ở các tần số khác nhau, mỗi nhịp xung phá vỡ các liên kết phân tử cụ thể, theo TechCrunch.

“Nhịp đầu tiên phân hủy CO₂ thành CO, nhịp thứ hai phân hủy H₂O thành H và OH, và nhịp thứ ba là kết hợp chúng thành methanol,” Bukhari cho biết.

Quá trình này chuyển đổi khoảng 75% năng lượng điện được sử dụng bởi thiết bị thành methanol khi nhắm mục tiêu CO₂, và 90% đối với khí thải từ các ống khói và lò hơi, chẳng hạn như khí thải từ các nhà máy điện chạy bằng nhiên liệu hóa thạch.

Hiện tại, các thiết bị này có thể tạo ra một tấn methanol từ CO₂ hút từ không khí xung quanh bằng cách sử dụng khoảng 10.000 kWh điện. Nhưng với nồng độ CO₂ cao hơn của khí nhà kính, họ có thể đạt được sản lượng này chỉ với khoảng 7.000 kWh. Đó không phải là lượng điện năng nhỏ – nhưng cần nhớ rằng CO₂ đang được loại bỏ trong quá trình này, đồng thời tạo ra nhiên liệu tái tạo, và hệ thống có thể được vận hành bằng điện tái tạo ngoài giờ cao điểm.

Bukhari có một tầm nhìn lớn: mục tiêu của anh là tạo ra một phiên bản khổng lồ cao hơn 90m, có thể hút khoảng một tỷ tấn CO₂ mỗi năm, theo https://futurism.com.

“Để chống lại biến đổi khí hậu, chúng ta cần loại bỏ 10 tỷ tấn CO₂ mỗi năm,” Bukhari nói với TechCrunch.

Thêm một đột phá mới có liên quan

Chỉ trong vòng chưa đầy một tuần, các nhà nghiên cứu tại Đại học British Columbia cũng “trình làng” một bước đột phá khác trong việc sử dụng chênh lệch nhiện độ để tạo ra điện năng, giúp chuyển đổi CO2 thành nhiên liệu. Dự án này còn có mục tiêu xa hơn là phục vụ cả mục tiêu chinh phục Sao Hỏa.

Theo đó, các nhà nghiên cứu đã phát triển các máy phát nhiệt điện – sử dụng chênh lệch nhiệt độ môi trường – để vận hành quá trình chuyển đổi CO₂. Công nghệ này, được thử nghiệm trong các môi trường phòng thí nghiệm, có thể đặc biệt hữu ích tại các cơ sở địa nhiệt trên Trái Đất và có tiềm năng hỗ trợ sự sống trên Sao Hỏa bằng cách sử dụng nguồn CO₂ dồi dào của hành tinh này.

Theo một nghiên cứu chứng minh ý tưởng (proof-of-concept study) của các nhà hóa học tại Đại học British Columbia (UBC), được trang SciTechDaily đăng tải ngày hôm qua, 10-11, các máy phát nhiệt điện có sẵn có thể hoạt động dưới các mức chênh lệch nhiệt độ vừa phải để chuyển đổi CO₂. Kết quả này mở ra khả năng hết sức đáng chú ý (intriguing) rằng sự chênh lệch nhiệt độ trong nhiều môi trường khác nhau – từ một cơ sở địa nhiệt thông thường trên Trái Đất đến bề mặt lạnh giá, hoang vu của Sao Hỏa – có thể cung cấp năng lượng cho quá trình chuyển đổi CO₂ thành nhiều loại nhiên liệu và hóa chất hữu ích.

“Môi trường trên Sao Hỏa thực sự khiến tôi quan tâm đến tiềm năng dài hạn của sự kết hợp công nghệ này,” tiến sĩ Abhishek Soni, nghiên cứu sinh sau tiến sĩ tại UBC và là tác giả đầu tiên của bài báo vừa được xuất bản trên tạp chí Device, chia sẻ. “Đây là một môi trường khắc nghiệt, nơi có thể tận dụng sự chênh lệch nhiệt độ lớn để không chỉ tạo ra điện năng với các máy phát nhiệt điện mà còn chuyển đổi CO₂ dồi dào trong khí quyển Sao Hỏa thành các sản phẩm hữu ích cho một miền đất mới chinh phục.”

Máy phát nhiệt điện tạo ra điện năng bằng cách được gắn vào những nơi có hai mức nhiệt độ khác nhau – trong thí nghiệm này là một đĩa nóng và một bồn đá lạnh trong phòng thí nghiệm. Nhóm nghiên cứu xác định khi chênh lệch nhiệt độ giữa hai mặt đạt ít nhất 40°C, các máy phát nhiệt điện tiêu chuẩn cung cấp đủ dòng điện ổn định để vận hành một thiết bị điện phân có thể chuyển CO₂ thành CO.

Tầm nhìn cho Sao Hỏa sẽ có phần khắc nghiệt hơn. Bất kỳ khu sinh quyển nào trên Sao Hỏa cũng sẽ cần được duy trì ở nhiệt độ phòng. Các máy phát nhiệt điện gắn trên bề mặt mái vòm sẽ tận dụng sự chênh lệch nhiệt độ giữa trong và ngoài mái vòm để tạo ra điện. Năng lượng này có thể được sử dụng để chuyển đổi CO₂ thành các sản phẩm carbon hữu ích như nhiên liệu và hóa chất. Khí quyển Sao Hỏa chứa 95% carbon dioxide, và nhiệt độ dao động từ 20°C đến -153°C.

“Bài báo này cho thấy một cách thú vị để tạo ra nhiên liệu và hóa chất trung hòa carbon,” giáo sư Curtis P. Berlinguette, nhà nghiên cứu chính tại UBC, cho biết. “Chúng ta sẽ cần nhựa trên Sao Hỏa một ngày nào đó, và công nghệ này cho thấy một cách để chúng ta có thể tạo ra nó ở đó.”

Những thành tựu trước đó

Thật ra, ý tưởng biến đổi CO₂ thành nhiên liệu đã có cách đây vài thập kỷ, nhưng ít gây được sự chú ý của dư luận do các vấn đề biến đổi khí hậu lúc đó chưa căng thẳng như hiện hay.

Andrew Bocarsly, giáo sư hóa học của Đại học Princeton, cho biết từ đầu những năm 1990 đã có những ý tưởng và dự án về việc chuyển đổi CO₂ thành nhiên liệu và các sản phẩm hóa chất. “Nhưng lúc đó chẳng ai quan tâm đến carbon dioxide.”

Nhưng ngày nay, CO₂ là một chủ đề nóng hổi. Các nhà khoa học trên khắp thế giới đang tìm cách lưu trữ, loại bỏ (dispose of), hoặc ngăn chặn sự hình thành của loại khí nhà kính này. Liquid Light, một công ty khởi nghiệp tại New Jersey do Andrew Bocarsly và cựu nghiên cứu sinh của ông là Emily Cole đồng sáng lập, đã đặt mục tiêu biến CO₂ thành nhiên liệu và hóa chất công nghiệp,

Công nghệ đằng sau quy trình này rất đơn giản: Lấy CO₂ và trộn nó trong một buồng chứa đầy nước với một điện cực và chất xúc tác. Phản ứng hóa học xảy ra sẽ chuyển CO₂ thành một phân tử mới, methanol, có thể được dùng làm nhiên liệu, dung môi công nghiệp hoặc nguyên liệu đầu vào để sản xuất các hóa chất khác.

Quay lại những năm 1990, một cựu nghiên cứu sinh Tiến sĩ của Bocarsly tên là Chao Lin đã thực hiện những thí nghiệm đầu tiên về việc chuyển đổi CO₂ thành methanol. Anh sử dụng kim loại palladium làm điện cực và pyridinium, một phân tử có dạng vòng và giá thành rẻ, làm chất xúc tác. Bằng cách cắm điện cực vào ổ điện, anh có thể thực hiện phản ứng điện hóa để chuyển đổi CO₂ thành methanol.

Lin rất phấn khởi với thành công của mình. Tuy nhiên, Bocarsly nói, “Chúng tôi đã công bố phát hiện đó vào năm 1994 và hầu như không có ai quan tâm đến nó.”

Nghiên cứu này đã chìm vào quên lãng (languished) cho đến năm 2005 khi Cole, lúc đó là một nghiên cứu sinh mới, nói với Bocarsly rằng cô muốn làm một dự án về năng lượng sạch. Cô đã nhận thử thách tái tạo lại kết quả của Lin, nhưng lần này sử dụng ánh sáng mặt trời thay vì điện để thúc đẩy phản ứng.

Trong thiết bị của Cole, các photon tác động vào bán dẫn gallium phosphide và kích thích các electron di chuyển đến bề mặt của bán dẫn và vào nước xung quanh. Chất xúc tác sau đó chuyển các electron đến CO₂. Những electron đó thu hút hydro từ nước xung quanh để biến CO₂ (một carbon và hai oxy) thành methanol (một carbon, một oxy và bốn hydro) và giải phóng oxy.

Lần này, khi nhóm công bố kết quả vào tháng 5 năm 2008 trên Tạp chí Hóa học Hoa Kỳ, kết quả đã thu hút rất nhiều sự quan tâm.

Trong khi đó, các nhà nghiên cứu từ Viện Công nghệ Massachusetts và Đại học Havard đã phát triển một quy trình hiệu quả từ năm 2023 có thể chuyển đổi carbon dioxide thành formate, một chất liệu lỏng hoặc rắn có thể được sử dụng như hydro hoặc methanol để cung cấp năng lượng cho pin nhiên liệu (fuel cell) và phát điện.

Quy trình mới, được phát triển bởi các nghiên cứu sinh tại MIT và Đại học Harvard, được mô tả trong một bài báo mở trên tạp chí Cell Reports Physical Science. Toàn bộ quy trình — bao gồm thu giữ và chuyển đổi điện hóa khí thành bột formate rắn, sau đó sử dụng trong pin nhiên liệu để sản xuất điện — đã được trình diễn ở quy mô nhỏ trong phòng thí nghiệm. Các nhà nghiên cứu hy vọng quy trình này có thể mở rộng (scalable) để cung cấp nhiệt và điện không phát thải cho các gia đình riêng lẻ và thậm chí được sử dụng trong các ứng dụng công nghiệp hoặc lưới điện.

Bocarsly, chủ tịch hội đồng cố vấn khoa học của công ty Liquid Light cùng với Cole dẫn dắt một nhóm các nhà hóa học tìm cách mở rộng một phát minh chuyển đổi CO₂ thành nhiên liệu trong phòng thí nghiệm lên quy mô công nghiệp. Ảnh: Denise Applewhite

Một nghiên cứu cho thấy các máy phát nhiệt điện dựa vào chênh lệch nhiệt độ có thể chuyển đổi CO2 thành các sản phẩm hữu ích. Điều này có thể thúc đẩy lối sống bền vững trên Trái Đất và hỗ trợ việc chinh phục Sao Hỏa. Ảnh: SciTechDaily.com