Biomimetism: Những cải tiến lấy cảm hứng từ thiên nhiên trong năng lượng tái tạo
Khai thác trí tuệ của thiên nhiên để có các giải pháp năng lượng bền vững
Các nguồn năng lượng tái tạo, như năng lượng mặt trời, gió và năng lượng biển, là những lựa chọn thay thế đầy hứa hẹn cho nhiên liệu hóa thạch. Tuy nhiên, cải thiện hiệu quả và tính kinh tế của những công nghệ này vẫn là một thách thức quan trọng. Một cách tiếp cận sáng tạo đang thu hút được sự chú ý là biomimetism, phương pháp bắt chước các thiết kế của thiên nhiên để giải quyết các vấn đề của con người.
Năng lượng Mặt trời: Lấy cảm hứng từ hoa hướng dương và góc vàng
Trong lĩnh vực năng lượng mặt trời, các nhà nghiên cứu đang lấy cảm hứng từ sự sắp xếp xoắn ốc của các cụm hoa nhỏ ở hoa hướng dương. Mô hình này, được gọi là đường xoắn Fermat, tối ưu hóa vị trí đặt các máy định vị (gương theo dõi mặt trời) trong các nhà máy điện mặt trời tập trung. Bằng cách bắt chước sự sắp xếp này, các kỹ sư có thể tăng hiệu quả và giảm tác động đến môi trường của những nhà máy này.
Ngoài ra, các nhà khoa học đã phát hiện ra rằng việc tạo góc cho mỗi máy định vị ở “góc vàng” 137,5° so với máy định vị lân cận sẽ giảm thiểu hiện tượng chặn và mất bức xạ mặt trời. Thông tin chi tiết này, lấy cảm hứng từ thế giới tự nhiên, giúp tăng cường hiệu suất của các hệ thống điện mặt trời tập trung.
Năng lượng gió: Học hỏi từ các kiểu di chuyển theo đàn của loài cá
Các trang trại gió thông thường sử dụng các tua bin gió trục ngang quay vuông góc với hướng gió. Tuy nhiên, những tua bin này cần có khoảng cách đáng kể để tránh gây nhiễu cho các tua bin lân cận. Biomimetism đưa ra một giải pháp dưới dạng các tua bin gió trục đứng, lấy cảm hứng từ các kiểu di chuyển theo đàn của loài cá.
Cá bơi tạo ra các kiểu chuyển động dòng nước giống như luồng không khí được tạo ra phía sau các tua bin gió. Thay vì cản trở những con cá lân cận, những kiểu chuyển động này cho phép chúng cải thiện và phối hợp bơi lội. Nhóm nghiên cứu của Dabiri tại Đại học Stanford đã áp dụng nguyên lý này để thiết kế các bố cục trang trại gió nhằm tối ưu hóa việc thu năng lượng. Bằng cách đặt các tua bin trục đứng gần nhau và so le hướng quay, họ đã đạt được mức tăng gấp mười lần về sản lượng điện trên một đơn vị diện tích so với các trại tua bin trục ngang truyền thống.
Năng lượng biển: Khai thác sức mạnh của thủy triều và sóng
Tiềm năng to lớn của năng lượng biển vẫn phần lớn chưa được khai thác. Jennifer Franck thuộc Đại học Wisconsin đã phát triển “cánh ngầm dao động” lấy cảm hứng từ chuyển động vỗ cánh khi bay của côn trùng, chim và dơi. Những thiết bị này trích xuất năng lượng từ thủy triều bằng cách bắt chước các chuyển động nhấp nhô và nghiêng mình của những loài động vật này. Nghiên cứu của Franck cho thấy thiết kế sinh học này thân thiện với môi trường và có thể được mở rộng quy mô cho các ứng dụng thương mại.
Reza Alam thuộc Đại học California, Berkeley đã chuyển sang một nguồn cảm hứng bất ngờ hơn: bùn. Ông quan sát thấy rằng bùn có thể hấp thụ một lượng năng lượng đáng kể từ sóng biển, giúp nước trở nên lặng hơn và tạo ra môi trường thuận lợi cho sinh vật biển. Nhóm nghiên cứu của Alam đã thiết kế một tấm thảm đáy biển nhân tạo bắt chước hành vi hấp thụ năng lượng này, có khả năng mở đường cho các hệ thống năng lượng biển mới.
Những thách thức và cơ hội trong năng lượng tái tạo lấy cảm hứng từ sinh học
Mặc dù biomimetism hứa hẹn rất nhiều trong việc thúc đẩy các công nghệ năng lượng tái tạo, nhưng quá trình thương mại hóa của nó phải đối mặt với một số thách thức. Việc thiếu các cơ sở thử nghiệm tiêu chuẩn cho các thiết bị năng lượng biển và chi phí cao liên quan đến phát triển phần cứng là những rào cản đáng kể. Ngoài ra, khả năng tồn tại trong môi trường khắc nghiệt và tác động đến môi trường vẫn là những cân nhắc quan trọng đối với bất kỳ công nghệ năng lượng sạch nào.
Bất chấp những thách thức này, các lợi ích tiềm năng của năng lượng tái tạo lấy cảm hứng từ sinh học là rất hấp dẫn. Bằng cách khai thác trí tuệ của thiên nhiên, chúng ta có thể phát triển các giải pháp năng lượng hiệu quả hơn, giá cả phải chăng hơn và bền vững hơn về môi trường cho tương lai.
