Biển ngày càng đầy sensor nhưng chúng vẫn phụ thuộc pin: Solar cell dưới nước muốn cấp điện cho “Internet of Underwater Things”

Một cảm biến nhiệt độ đặt dưới biển có thể hoạt động hàng tháng hoặc hàng năm. Vấn đề bắt đầu khi pin cạn: thay một viên pin ở đáy biển không giống thay pin cho cảm biến trong nhà. Thiết bị có thể phải được kéo lên, thợ lặn hoặc robot phải tiếp cận, tàu phải quay lại đúng vị trí và toàn bộ mạng có nguy cơ mất dữ liệu trong thời gian bảo trì.

Đây là một trong những nút thắt khiến ý tưởng Internet of Underwater Things — mạng các sensor, camera, phao, modem và robot trao đổi dữ liệu dưới nước — khó mở rộng thành hạ tầng hoạt động lâu dài. Một bài Perspective trên Nature Photonics năm 2023 gọi việc thiếu nguồn điện bền bỉ là rào cản đối với một mạng IoUT tự chủ quy mô lớn.

Một nghiên cứu mới trên Joule cho thấy một phần của bài toán có thể được giải ngay dưới mặt nước. Nhóm Đại học Vân Nam đã chế tạo mô-đun perovskite được tối ưu cho quang phổ ánh sáng dưới biển và thử nó ở độ sâu 10 mét ngoài Biển Đông. Sau hai giờ, hệ thống thu được 324 mWh điện, dùng để nạp pin lithium-ion và sau đó cấp điện cho LED.

Con số này chưa đủ để biến mọi thiết bị dưới đại dương thành máy tự cấp nguồn. Nhưng nó thay đổi một câu hỏi thực dụng: thay vì hỏi liệu solar cell có hoạt động được dưới nước hay không, giờ có thể hỏi nó đủ điện cho loại node nào, ở độ sâu nào và trong bao lâu.

Internet dưới biển vướng ở một thứ rất cũ: pin

Khái niệm mạng cảm biến đại dương không mới. Các node có thể đo nhiệt độ, độ mặn, áp suất, oxy hòa tan, dòng chảy hoặc hình ảnh; những hệ lớn hơn có thêm modem acoustic, camera, sonar và bộ xử lý tại chỗ. Các AUV và robot không dây có thể di chuyển giữa các node, trong khi phao mặt nước làm cầu nối với vệ tinh hoặc mạng di động.

Điểm chung là tất cả đều cần điện. Một tổng quan về năng lượng cho mạng robot dưới nước công bố năm 2025 cho thấy nhu cầu trải từ vài trăm milliwatt ở sensor đơn giản, lên nhiều watt ở node có xử lý và truyền thông, rồi tới hàng kilowatt ở robot có hệ động lực. Đây là những lớp thiết bị rất khác nhau, nên không có một nguồn năng lượng duy nhất phù hợp cho toàn bộ mạng.

Với sensor cố định, pin vẫn là lựa chọn dễ triển khai nhất. Nhưng pin chứa một lượng năng lượng hữu hạn. Khi mạng có hàng trăm hoặc hàng nghìn node rải trên vùng biển rộng, chi phí không còn nằm ở giá viên pin mà ở việc tiếp cận thiết bị để sạc hoặc thay nó.

Đó là lý do các nghiên cứu về Ocean Internet of Things và IoUT ngày càng nhìn sang energy harvesting: lấy năng lượng từ chính môi trường — sóng, dòng chảy, chênh lệch nhiệt độ, ánh sáng hoặc các quá trình điện hóa — rồi lưu vào pin để node hoạt động lâu hơn mà ít cần con người can thiệp.

Ánh sáng vẫn xuống biển, nhưng silicon nhìn nhầm phần phổ

Ý tưởng đặt solar cell dưới nước ban đầu nghe khá mâu thuẫn. Nước hấp thụ và tán xạ ánh sáng, nên cường độ Mặt Trời giảm nhanh theo độ sâu. Quan trọng hơn, nước không lọc mọi bước sóng giống nhau: ánh sáng đỏ và cận hồng ngoại bị hấp thụ mạnh, còn xanh lam và xanh lục xuyên xa hơn.

Đây lại là bất lợi cho cell silicon thông thường. Silicon được thiết kế để tận dụng một vùng phổ rộng trên mặt đất, bao gồm cả phần cận hồng ngoại. Khi phần này đã bị nước loại bỏ, vật liệu tiếp tục mang một bandgap không tối ưu cho phổ còn lại.

Perovskite cho phép thay đổi bài toán đó. Bằng cách điều chỉnh thành phần hóa học, nhà nghiên cứu có thể dịch bandgap để cell tập trung vào các photon xanh lam–xanh lục còn tồn tại dưới nước. Nhóm của Simin Ma, Bing Cai và Wen-Hua Zhang sử dụng perovskite chì-halide có bandgap khoảng 1,96 eV, được chọn cho phổ ánh sáng ở độ sâu khoảng 10 mét.

Họ còn thêm polyhexamethylene guanidine hydrochloride, hay PHMG, để kiểm soát kết tinh, giảm khuyết tật và hạn chế sự di chuyển của ion halide — một cơ chế có thể làm perovskite suy giảm dưới chiếu sáng kéo dài.

324 mWh ở 10 mét thực sự đủ cho gì?

Trong phòng lab, cell đạt hiệu suất 34,71% khi được chiếu bằng quang phổ mô phỏng ánh sáng ở độ sâu 10 mét. Con số này không có nghĩa đặt cell xuống biển làm nó hiệu quả hơn pin mặt trời trên mặt đất. Tổng năng lượng ánh sáng ở 10 mét thấp hơn rất nhiều; hiệu suất cao chỉ nói rằng cell chuyển đổi tốt phần ánh sáng ít ỏi còn lại.

Phần đáng quan tâm hơn với IoUT là thử nghiệm ngoài biển. Mô-đun có diện tích hoạt động khoảng 115 cm² được hạ xuống các độ sâu 2, 6 và 10 mét. Sau hai giờ, hệ thống tích lũy lần lượt 1.416, 752 và 324 mWh.

Ở 10 mét, 324 mWh trong hai giờ tương đương công suất trung bình khoảng 162 mW trong thời gian thử. Đây là phép quy đổi từ số liệu năng lượng của paper, không phải công suất định mức mà nhóm nghiên cứu tuyên bố.

Khoảng 0,16 W rõ ràng không thể chạy động cơ của một AUV cỡ lớn. Nhưng nó đã nằm trong vùng có ý nghĩa đối với một số sensor công suất thấp, đặc biệt nếu thiết bị không truyền dữ liệu liên tục. Một node có thể tích năng lượng vào pin trong nhiều giờ rồi “thức dậy” theo chu kỳ để đo, xử lý và gửi một gói dữ liệu ngắn.

Đó có thể là kiến trúc thực tế của solar-powered IoUT: solar cell không thay pin mà biến pin từ nguồn năng lượng hữu hạn thành bộ đệm. Ban ngày, hệ thống nạp điện; ban đêm hoặc lúc nước đục, node dùng phần năng lượng đã lưu. Việc cảm biến hoạt động được bao lâu khi không có nắng phụ thuộc hoàn toàn vào ngân sách năng lượng của từng thiết bị.

“Internet of Ocean Things” không đồng nghĩa Internet ở biển sâu

Đây cũng là giới hạn quan trọng nhất của ý tưởng. Thử nghiệm 10 mét diễn ra trong vùng nước nông vẫn nhận được lượng ánh sáng đáng kể. Nó không chứng minh solar cell có thể cấp nguồn ở biển sâu hàng trăm hoặc hàng nghìn mét.

Ánh sáng giảm theo độ sâu và phụ thuộc mạnh vào địa điểm. Nước trong ngoài khơi, nước ven bờ nhiều phù sa và vùng có sinh vật phù du có hệ số suy hao rất khác nhau. Một thiết bị hoạt động ở 10 mét tại một vùng biển trong không nhất thiết tạo được cùng lượng điện ở 10 mét trong cảng hoặc cửa sông.

Nature Photonics từng mô hình hóa khả năng khai thác quang điện ở nhiều vùng biển và chỉ ra rằng bandgap tối ưu phải tăng theo độ sâu vì phổ ánh sáng ngày càng hẹp về phía xanh. Nhưng cuối cùng vẫn tồn tại một giới hạn mà năng lượng Mặt Trời đơn giản không còn đủ hữu ích.

Ở những nơi đó, IoUT sẽ cần nguồn khác: thu năng lượng từ sóng hoặc dòng chảy, chênh lệch nhiệt, pin nhiên liệu vi sinh, cáp từ bờ, docking station hoặc truyền năng lượng không dây. Một mạng đại dương thực tế nhiều khả năng là hệ lai, trong đó solar phù hợp cho lớp node gần mặt nước chứ không phải toàn bộ cột nước.

Có điện chưa đủ: mặt kính phải sống được dưới biển

Nếu một solar cell được giao nhiệm vụ kéo dài tuổi thọ sensor từ vài tháng lên nhiều năm, bài toán tiếp theo sẽ là môi trường biển. Muối, áp suất, chu kỳ nhiệt và nước xâm nhập đều có thể làm hỏng thiết bị. Với perovskite chứa chì, lớp đóng gói còn phải ngăn vật liệu bên trong tiếp xúc với môi trường khi cell bị hư hại.

Một vấn đề khó hơn là biofouling. Tảo, vi khuẩn và sinh vật biển có thể bám lên bề mặt trong vài tuần hoặc vài tháng. Với một cảm biến áp suất, lớp sinh học có thể gây sai số; với solar cell, nó còn chặn chính ánh sáng dùng để tạo điện. Các tác giả của Perspective trên Nature Photonics coi lớp phủ chống bám bẩn và tiêu chuẩn kiểm tra dành riêng cho photovoltaic dưới nước là hai hạng mục cần giải quyết trước khi triển khai lâu dài.

Nghiên cứu Joule hiện mới có hai giờ thử nghiệm phát điện ngoài biển. Con số tuổi thọ khoảng 5,49 năm mà nhóm báo cáo là T80 được ngoại suy từ thử nghiệm gia tốc dưới phổ mô phỏng 10 mét ở 25°C, không phải một module đã nằm ngoài đại dương hơn năm năm.

Từ solar cell tới một node tự chủ còn thiếu một hệ thống

Bước tiếp theo đáng theo dõi vì thế không chỉ là nâng hiệu suất từ 34,71% lên một kỷ lục mới. Một node IoUT hữu dụng phải ghép cell với pin, mạch quản lý năng lượng, sensor, bộ xử lý và modem; sau đó chứng minh toàn bộ hệ có thể cân bằng năng lượng qua ngày–đêm, thời tiết và mùa.

Một thử nghiệm thuyết phục hơn sẽ là để sensor thực hiện nhiệm vụ thật trong nhiều tháng: thu dữ liệu, lưu trữ, truyền về phao hoặc robot, đồng thời ghi lại năng lượng thu được và mức suy giảm do biofouling. Khi đó mới có thể trả lời câu hỏi quan trọng với người vận hành mạng: solar cell giúp kéo dài thời gian giữa hai lần bảo trì bao nhiêu.

Điểm đáng chú ý của kết quả 10 mét không nằm ở việc “đưa điện mặt trời xuống đáy biển”. Nó cho thấy lớp nước vốn được xem là kẻ thù của photovoltaics cũng có thể trở thành một bộ lọc quang phổ mà cell được thiết kế riêng để tận dụng. Nếu hiệu ứng đó được chuyển thành hệ thống bền ngoài biển, những sensor gần mặt nước có thể thôi là thiết bị chạy bằng một viên pin đếm ngược — và trở thành các node có khả năng tự nạp năng lượng trong một mạng đại dương hoạt động lâu dài.

Nguồn: Joule – Submerged solar harvesting with wide-band-gap perovskites for autonomous underwater energy systems; Yunnan University; Nature Photonics – A dive into underwater solar cells; Journal of Marine Science and Engineering – powering underwater robotic sensor networks; Nature Communications – ocean energy harvesting for distributed sensors.