Wallpaper thường chỉ để trang trí: Loại mới hút ẩm trong phòng rồi biến nó thành điện cho cảm biến

Một bức tường trong nhà thường là một bề mặt thụ động. Nó có thể được sơn, dán giấy, cách âm hoặc cách nhiệt, nhưng gần như không tham gia vào việc cấp năng lượng cho những thiết bị đang hoạt động xung quanh.

Một nhóm nghiên cứu tại Binghamton University đang thử thay đổi ý tưởng đó bằng một loại moist-electric wallpaper: giấy dán tường có thể hút hơi nước tự nhiên trong không khí, tạo ra chênh lệch ion bên trong vật liệu và biến quá trình này thành một dòng điện nhỏ nhưng liên tục.

Hook “wallpaper hút ẩm rồi phát điện” nghe giống một ý tưởng về nguồn điện mới cho cả căn nhà. Nhưng đó không phải điểm mạnh thực tế của công nghệ này. Công suất hiện tại vẫn rất nhỏ. Hướng ứng dụng đáng chú ý hơn là ambient energy harvesting: tận dụng một nguồn năng lượng vốn luôn hiện diện trong môi trường để cấp điện cho cảm biến, module truyền thông và các thiết bị Internet of Things có mức tiêu thụ rất thấp.

Nghiên cứu do nhóm của Giáo sư Seokheun “Sean” Choi thực hiện và được công bố trên Advanced Energy Materials với tiêu đề Moist-Electric Wallpaper With Engineered Unidirectional Moisture Transport for Indoor Energy Harvesting and Humidity Management.

Điện không đến từ “nước”, mà từ việc giữ một gradient bên trong vật liệu

Moist-electric generator, thường viết tắt là MEG, không phải khái niệm hoàn toàn mới. Nhiều vật liệu có thể tạo điện khi hấp thụ hơi ẩm bởi nước làm các nhóm hóa học bên trong vật liệu giải phóng hoặc tái phân bố ion.

Vấn đề là quá trình này thường không kéo dài. Nếu toàn bộ vật liệu dần trở nên ẩm như nhau, chênh lệch nồng độ ion bị san bằng và dòng điện suy giảm.

Nhóm Binghamton giải quyết bài toán bằng cách thiết kế đường đi của nước ngay trong từng ô giấy nhỏ. Thay vì để hơi ẩm đi vào và thoát ra ngẫu nhiên trên cùng một bề mặt, họ tạo một kiến trúc có vùng hút ẩm ở rìa và vùng giải phóng hơi nước ở trung tâm.

Ở mép của mỗi ô, glycerol đóng vai trò chất hút ẩm, kéo các phân tử nước từ không khí vào giấy. Ở vùng trung gian, polymer polyvinylpyrrolidone (PVP) thay đổi đặc tính giữ nước và cấu trúc mao dẫn của giấy. Phần trung tâm được xử lý bằng wax, ngăn nước lỏng tiếp tục tràn vào nhưng vẫn cho hơi nước thoát ra.

Kết quả là nước có xu hướng đi theo một hướng: đi vào từ rìa → di chuyển vào bên trong → thoát ra dưới dạng hơi ở trung tâm. Gradient độ ẩm và ion nhờ đó được duy trì lâu hơn, thay vì nhanh chóng đạt trạng thái cân bằng.

Mỗi “pixel năng lượng” chỉ là một ô giấy khoảng 2 cm

Prototype không phải một tấm vật liệu đồng nhất duy nhất. Nó giống một mạng lưới gồm rất nhiều generator nhỏ được in và nối với nhau.

Theo mô tả nghiên cứu, mỗi đơn vị là một ô giấy khoảng 2 × 2 cm. Các điện cực carbon thu dòng điện, còn những kết nối điện được đưa ra phía sau tấm giấy để mặt trước vẫn có thể trông giống một bề mặt nội thất bình thường.

Nhóm nghiên cứu sau đó ghép tới 1.596 đơn vị thành một panel lớn. Trong thử nghiệm ở độ ẩm trong phòng khoảng 38%, hệ thống này có thể vận hành một bàn phím không dây khi kết hợp với capacitor để tích trữ năng lượng và đáp ứng các đợt tiêu thụ công suất ngắn.

Thử nghiệm đó quan trọng vì nó cho thấy mục tiêu của công nghệ không phải tạo ra một nguồn điện lớn liên tục như ổ cắm trên tường. Thay vào đó, hàng trăm hoặc hàng nghìn generator siêu nhỏ có thể gom một lượng năng lượng rất thấp trong thời gian dài rồi cấp nó cho thiết bị điện tử có nhu cầu tương ứng.

Vì sao trong nhà lại là nơi thú vị hơn ngoài trời?

Thoạt nhìn, khai thác độ ẩm ngoài trời có vẻ hợp lý hơn vì môi trường có thể chứa nhiều hơi nước. Nhưng với một MEG công suất thấp, sự ổn định lại quan trọng không kém lượng ẩm tuyệt đối.

Độ ẩm trong nhà thường nằm trong một dải tương đối ổn định, trong khi con người liên tục bổ sung hơi nước thông qua hô hấp, nấu ăn, tắm và nhiều hoạt động sinh hoạt khác. Điều này tạo ra một nguồn “nhiên liệu” môi trường rất nhỏ nhưng có mặt gần như liên tục.

Ngược lại, ngoài trời, nhiệt độ, ánh nắng, gió và độ ẩm biến động mạnh hơn. Một thiết bị có output vốn đã ở mức microwatt có thể khó duy trì đặc tính ổn định trong những điều kiện đó.

Đây là lý do nhóm nghiên cứu không cố biến MEG thành đối thủ của solar panel. Họ đưa nó vào một bối cảnh khác: những bề mặt lớn trong tòa nhà vốn đang tồn tại nhưng chưa làm nhiệm vụ thu năng lượng.

Điểm mạnh thật sự: nguồn điện cho lớp “sensor vô hình” của smart building

Một tòa nhà thông minh có thể cần rất nhiều cảm biến: nhiệt độ, độ ẩm, CO₂, chất lượng không khí, ánh sáng, rung động, chuyển động, tình trạng cửa, rò rỉ nước hoặc trạng thái của thiết bị HVAC.

Riêng từng cảm biến không tiêu thụ nhiều điện. Nhưng khi số lượng tăng lên rất lớn, bài toán cấp nguồn và bảo trì pin trở nên đáng kể. Việc thay pin cho hàng nghìn thiết bị nhỏ đôi khi khó hơn nhiều so với chính việc triển khai cảm biến.

Đây là nơi ambient energy harvesting có giá trị. Nếu một sensor có thể ngủ phần lớn thời gian, thu thập năng lượng từ môi trường và chỉ thức dậy theo chu kỳ để đo rồi gửi một gói dữ liệu ngắn, nhu cầu công suất trung bình của nó có thể rất thấp.

Một bức tường biết thu vài microwatt trên mỗi vùng nhỏ vì thế không cần “chạy TV” hay “cấp điện cho căn nhà” để trở nên hữu ích. Nó chỉ cần tạo đủ năng lượng cho một lớp thiết bị điện tử nhỏ nằm rải rác khắp không gian.

Với hàng tỷ thiết bị IoT và sensor có thể được triển khai trong nhà ở, nhà máy, kho hàng, văn phòng và hạ tầng đô thị trong tương lai, bài toán hấp dẫn không phải là thay thế lưới điện — mà là giảm số lượng pin nhỏ phải sản xuất, thay thế và vứt bỏ.

Một chức năng thứ hai: quản lý độ ẩm

Thiết kế của nhóm Binghamton còn có một hiệu ứng phụ thú vị: vì glycerol liên tục hút hơi nước vào hệ thống, panel có thể ảnh hưởng tới độ ẩm cục bộ.

Trong một thử nghiệm được mô tả bởi nhóm nghiên cứu, panel 1.596 ô làm độ ẩm đo gần bề mặt giảm từ khoảng 38% xuống 32% trong 15 phút. Trong một buồng kín, 28 đơn vị giảm độ ẩm từ khoảng 75% xuống gần 50% trong khoảng 4 phút.

Những con số này chưa đủ để kết luận wallpaper có thể thay thế máy hút ẩm hay hệ HVAC. Quy mô thử nghiệm còn nhỏ, điều kiện phòng lab khác với một căn phòng có người ở và hệ thống thông gió thực tế. Tuy vậy, nó gợi ý một hướng thiết kế thú vị: một vật liệu xây dựng có thể đồng thời quản lý một phần hơi ẩm và thu lại một phần rất nhỏ năng lượng từ chính quá trình đó.

Không phải “điện miễn phí cho cả căn nhà”

Đây cũng là điểm cần thận trọng khi diễn giải nghiên cứu.

Ở độ ẩm cao khoảng 80%, một đơn vị có thể đạt công suất cỡ vài microwatt trên mỗi cm² điện cực. Nếu tính trên toàn bộ diện tích ô giấy, mật độ công suất thực tế thấp hơn. Khi độ ẩm giảm về mức thông thường của phòng ở, output cũng giảm theo.

Trong thử nghiệm với bàn phím, capacitor đóng vai trò rất quan trọng: nó tích điện từ từ rồi cung cấp những burst năng lượng ngắn khi thiết bị cần truyền tín hiệu. Đây là mô hình rất phù hợp cho sensor duty-cycle thấp, nhưng hoàn toàn khác với việc cấp công suất liên tục cho thiết bị gia dụng.

Vì vậy, so sánh công nghệ này với điện mặt trời, pin lưu trữ hay điện lưới sẽ làm sai bản chất của nghiên cứu. Nó gần với một nguồn trickle power hơn: một dòng năng lượng nhỏ liên tục, đủ để giữ cho những thiết bị cực kỳ tiết kiệm điện hoạt động mà không phải dựa hoàn toàn vào pin.

Những trở ngại trước khi wallpaper phát điện trở thành vật liệu xây dựng thật

Prototype hiện vẫn được làm trên loại giấy dùng trong phòng thí nghiệm. Một bức tường thực tế phải chịu nhiều năm thay đổi nhiệt độ, độ ẩm, bụi, va chạm và lão hóa vật liệu.

Glycerol cũng có thể dần dịch chuyển trong giấy khi tiếp xúc lâu với nước, khiến ranh giới giữa vùng hút ẩm và vùng vận chuyển nước mờ đi. Các đường dẫn bằng bạc xuyên qua giấy có thể phải chịu stress do giấy co giãn sau hàng trăm hoặc hàng nghìn chu kỳ ẩm–khô.

Ngoài ra còn có câu hỏi về chi phí sản xuất, độ an toàn cháy, khả năng lau chùi, khả năng tái chế, tuổi thọ của điện cực và cách kết nối hàng nghìn generator vào một hệ thống điện tử thực tế.

Chính vì vậy, đây vẫn là một proof-of-concept vật liệu chứ chưa phải sản phẩm nội thất sắp bán đại trà.

Khi chính bức tường trở thành một phần của hạ tầng IoT

Điểm hấp dẫn nhất của nghiên cứu nằm ở cách nó thay đổi câu hỏi thiết kế.

Thay vì hỏi “làm sao tạo thật nhiều điện từ độ ẩm?”, ta có thể hỏi: làm sao dùng những nguồn năng lượng rất nhỏ nhưng phổ biến để loại bỏ pin khỏi hàng triệu cảm biến?

Ánh sáng trong nhà, chênh lệch nhiệt độ, rung động, sóng radio và độ ẩm đều chứa lượng năng lượng nhỏ. Riêng lẻ, chúng không đủ cho phần lớn thiết bị điện tử quen thuộc. Nhưng điện tử công suất siêu thấp ngày càng cho phép sensor hoạt động với ngân sách năng lượng nhỏ hơn trước.

Nếu hai xu hướng này gặp nhau, nhiều vật thể vốn thụ động — tường, cửa sổ, sàn, quần áo hay bao bì — có thể dần trở thành một phần của hệ thống thu năng lượng.

Trong bối cảnh đó, “wallpaper phát điện” không thú vị vì nó có thể thay dây điện trong nhà. Nó thú vị vì một ngày nào đó, chính bề mặt căn phòng có thể âm thầm cấp năng lượng cho lớp cảm biến giúp căn phòng biết mình đang nóng, ẩm, có người, có khí độc hay cần thông gió — mà không ai phải leo lên thay hàng nghìn viên pin.

Nguồn tham khảo

• Binghamton University — Wallpaper that generates power? Binghamton University researchers have developed it
• Advanced Energy Materials — Moist-Electric Wallpaper With Engineered Unidirectional Moisture Transport for Indoor Energy Harvesting and Humidity Management
• Nanowerk — Wallpaper keeps making electricity from humid air
• EurekAlert — Binghamton University research release