Các nhà nghiên cứu tại Đại học công nghệ Michigan đang phát triển một hệ thống pin nhiên liệu vi sinh vật, có thể hỗ trợ các cảm biến ở dưới nước duy trì hoạt động lâu hơn, bằng cách tạo ra điện từ chất hữu cơ có sẵn trong nước biển.
Dự án này là một phần của chương trình Năng lượng sinh học dưới biển (BLUE) của Cơ quan nghiên cứu dự án tiên tiến quốc phòng (DARPA), nhằm mục đích tạo ra các hệ thống năng lượng dưới nước tự nạp nhiên liệu, cung cấp cho các cảm biến đại dương có tuổi thọ cao.
Hiện nay, có nhiều loại cảm biến được triển khai trong môi trường biển để quan sát các điều kiện sinh thái, di cư của sinh vật và âm thanh liên quan đến quốc phòng, hải quân. Các hệ thống giám sát dưới nước hiện nay, chủ yếu dựa vào pin, đòi hỏi các hoạt động thu hồi và thay thế tốn kém.
Nhóm nghiên cứu do Đại học công nghệ Michigan dẫn đầu đang thử nghiệm pin nhiên liệu vi sinh, sử dụng vi khuẩn để chuyển đổi vật chất hữu cơ hòa tan và sinh khối siêu nhỏ thành dòng điện. Theo các nhà nghiên cứu, công nghệ này có thể hỗ trợ các cảm biến, hệ thống giám sát sinh thái và mạng lưới âm thanh dưới nước.
Các nhà nghiên cứu vừa hoàn thành đợt triển khai kéo dài 30 ngày tại vịnh Chesapeake, nằm bên bờ Đại Tây Dương, phía đông bang Maryland và Virginia, nơi các hệ thống pin nguyên mẫu tiếp tục sản xuất điện, trong khi hoàn toàn chìm ở dưới nước.
Pin nhiên liệu vi sinh hoạt động bằng cách sử dụng vi khuẩn tự nhiên truyền electron trong quá trình trao đổi chất. Trong hệ thống do nhóm nghiên cứu của Đại học công nghệ Michigan thiết kế, các electron đó di chuyển giữa cực dương và cực âm, tạo ra dòng điện có thể sử dụng được.
Một trong những thách thức kỹ thuật chính là nước biển chứa ít chất hữu cơ hơn nhiều so với các môi trường thường dùng pin nhiên liệu vi sinh, chẳng hạn như nhà máy xử lý nước thải. Môi trường biển cũng có nồng độ oxy cao, gây cản trở quá trình tạo năng lượng của vi sinh vật.
Để cải thiện hiệu suất, các nhà nghiên cứu sử dụng than hoạt tính dạng hạt bên trong các pin nhiên liệu hình ống. Vật liệu này tập trung chất hữu cơ và cung cấp bề mặt, nơi vi sinh vật có thể hình thành màng sinh học và tiếp tục tạo ra điện ngay cả trong điều kiện giàu oxy.
Các nhà nghiên cứu cũng thiết kế lại hệ thống để cải thiện hiệu suất năng lượng và đơn giản hóa việc triển khai. Các phiên bản mới hơn sử dụng các đơn vị module, có thể xếp chồng lên nhau với các máy bơm và bảng điều khiển riêng biệt.
Các nguyên mẫu mới nhất đã được thử nghiệm tại vịnh Galveston, dọc bờ biển của Texas, nơi ba trong số bốn đơn vị được báo cáo là đã tạo ra điện thành công trong các thử nghiệm ở dưới nước.
Hệ thống này được thiết kế để hoạt động hoàn toàn dưới nước mà không phụ thuộc vào năng lượng sóng bề mặt hoặc sự bảo trì của con người. Các nhà nghiên cứu cho biết, điều đó có thể cho phép các cảm biến đại dương hoạt động trong thời gian dài hơn ở các môi trường xa xôi.
Các nhà nghiên cứu hiện đang chuẩn bị một đợt triển khai quy mô lớn hơn, bao gồm 10 pin nhiên liệu vi sinh tại vịnh Chesapeake. Mục tiêu là nghiên cứu hiệu suất dài hạn và ước tính xem liệu các hệ thống này cuối cùng có thể hỗ trợ các hoạt động dưới nước kéo dài cả năm hay không.
