Biến không khí thành nước uống

Biến nhiệt thành nước

Quân đội Hoa Kỳ đã hợp tác với một công ty chuyển đổi bền vững toàn cầu để phát triển một công nghệ mới, tận dụng nhiệt thải để sản xuất nước uống sạch từ không khí. Đối với dự án này, Trung tâm Nghiên cứu và Phát triển Kỹ sư Quân đội Hoa Kỳ (ERDC) đã ký Thỏa thuận Hợp tác Nghiên cứu và Phát triển (CRADA) có thời hạn 3 năm với AirJoule Technologies có trụ sở tại Montana, Mỹ mới đây.

Sáng kiến này được tạo ra nhằm cách mạng hóa các hoạt động quân sự trong tương lai, đồng thời giúp họ tự cung tự cấp, phục hồi nhanh hơn và được trang bị tốt hơn cho các môi trường khắc nghiệt khác nhau. Sáng kiến sẽ khám phá cách nhiệt thải từ các máy phát điện chiến thuật có thể được tái sử dụng để sản xuất nước uống sạch trực tiếp từ không khí. Giải pháp này có thể định hình lại cách quân đội tiếp cận nước trên chiến trường.

Nỗ lực chung này kết hợp chuyên môn của ERDC về các hệ thống năng lượng sẵn sàng chiến trường với nền tảng tạo nước trong khí quyển đã được cấp bằng sáng chế của AirJoule, có khả năng thu và ngưng tụ độ ẩm từ không khí xung quanh. Theo AirJoule Technologies, không giống như các hệ thống hút ẩm thông thường, công nghệ này sử dụng vật liệu hấp thụ tiên tiến có khả năng hấp thụ hơi nước hiệu quả ngay cả ở độ ẩm thấp. Khi chất hấp thụ đã bão hòa, buồng được bịt kín, và chân không kết hợp với nhiệt thải sẽ kích hoạt quá trình giải phóng hơi nước bị giữ lại. Hơi nước sau đó ngưng tụ thành nước lỏng bên trong bình ngưng chân không.

Công ty giải thích rằng bằng cách vận hành đồng thời các chu trình thu và giải phóng trong các buồng riêng biệt, hệ thống tái sử dụng nhiệt bên trong, giúp quá trình này tiết kiệm năng lượng đáng kể. Khi được kết hợp với các đơn vị thu hồi nhiệt thải của quân đội Hoa Kỳ, hệ thống này có khả năng cung cấp nước cất an toàn cho binh lính mà không cần hậu cần tiêu tốn nhiều nhiên liệu hay đường dây tiếp tế dễ bị tổn thương. “Thỏa thuận này giữa ERDC và AirJoule Technologies đánh dấu một bước tiến đáng kể trong việc tích hợp nền tảng công nghệ AirJoule của chúng tôi vào các trường hợp sử dụng thực tế, mang lại lợi ích cho quân đội Hoa Kỳ”, Matt Jore, Giám đốc điều hành AirJoule Technologies nói.

Từ nhiệt thải đến nước sạch

Đối với quân đội, việc tạo ra nước từ không khí mang lại một lợi thế chiến lược rất đáng kể. Các nhiệm vụ tiếp tế nước truyền thống thường khiến nhân viên gặp rủi ro và đòi hỏi nhiều nguồn nhiên liệu và vận chuyển. Theo quân đội Hoa Kỳ, một hệ thống triển khai tại hiện trường có khả năng chuyển đổi nhiệt thải thành nước có thể giảm cả mức tiêu thụ nhiên liệu và nguy cơ tổn thất về hậu cần. Hơn nữa, nó cũng có thể cung cấp cho quân đội khả năng tiếp cận nước uống an toàn liên tục ở sa mạc, vùng thảm họa hoặc khu vực xung đột. “AirJoule có thể hoạt động trong nhiều môi trường khác nhau, đặc biệt là khi nguồn nước mặt và nước ngầm không có sẵn hoặc bị ô nhiễm”, Jore chỉ ra trong một thông cáo báo chí.

ERDC, vốn nổi tiếng với việc giải quyết một số thách thức khó khăn nhất của quân đội về kỹ thuật, tài nguyên nước và khoa học môi trường, coi sự hợp tác này là một con đường hướng tới khả năng phục hồi chiến trường trong tương lai. Nghiên cứu của cơ quan này hiện sẽ kiểm tra hiệu suất của công nghệ hấp thụ của AirJoule trong các điều kiện môi trường đa dạng và cách nó tích hợp với các thiết bị quân sự hiện có. Nếu thành công, mối quan hệ đối tác này có thể cung cấp thông tin cho việc thiết kế các hệ thống nước thế hệ tiếp theo cho cả nhiệm vụ quốc phòng và nhân đạo. “Chúng tôi tin rằng sự hợp tác này sẽ giúp đảm bảo nguồn nước tinh khiết đáng tin cậy cho quân đội của chúng tôi, và chúng tôi rất vui mừng được hợp tác với ERDC trong sáng kiến nghiên cứu này”, ông Jore kết luận.

Cùng hợp tác

ERDC là cơ quan nghiên cứu trực thuộc Quân đoàn Công binh Lục quân Mỹ. ERDC được xem là đơn vị đầu não về khoa học - công nghệ của quân đội Mỹ, chuyên nghiên cứu, phát triển và thử nghiệm các công nghệ phục vụ cả mục tiêu quân sự lẫn dân sự. Trung tâm có trụ sở chính tại bang Mississippi (Mỹ), cùng nhiều phòng thí nghiệm đặt tại các bang khác như Illinois, New Hampshire, Virginia và Alaska.

Hoạt động của ERDC bao trùm nhiều lĩnh vực: Kỹ thuật công trình: Xây dựng cầu, hầm, căn cứ, công trình phòng thủ. Năng lượng và hậu cần chiến trường: Phát triển công nghệ tiết kiệm nhiên liệu, tận dụng nhiệt thải, tạo nước và điện tại chỗ. AirJoule Technologies Corporation (Mỹ) không bước vào thỏa thuận nghiên cứu này với hai bàn tay trắng, mà đã sở hữu công nghệ độc quyền khiến quân đội phải chú ý.

Công nghệ của AirJoule Technologies Corporation khử ẩm không khí để tạo ra nước cất không chứa PFAS (các hóa chất độc hại thường có trong nước công nghiệp). Hệ thống hoạt động bằng cách hút không khí qua các tấm hấp phụ có phủ vật liệu hút ẩm (tương tự gel silica), bắt giữ hơi nước trong không khí.

Gel silica là chất rắn có khả năng hút ẩm rất cao, thường được dùng để giữ khô cho các sản phẩm như thực phẩm, thuốc, thiết bị điện tử hay đồ da. Về bản chất, gel silica được làm từ silic dioxide (SiO2) - thành phần chính của cát và thạch anh. Dù tên gọi là gel, thực chất đây là chất rắn dạng hạt xốp, có cấu trúc gồm vô số lỗ nhỏ li ti. Những lỗ này giúp gel silica hấp thụ và giữ lại hơi nước trong không khí mà không tan chảy hay biến dạng. Gel silica không độc hại và không phản ứng hóa học với các vật liệu khác, nên rất an toàn để sử dụng trong bao bì bảo quản. Thông thường, người ta cho gel silica vào túi nhỏ màu trắng hoặc trong suốt, kèm dòng cảnh báo quen thuộc Do not eat (Không được ăn). Ngoài công dụng phổ biến trong đời sống, gel silica còn được ứng dụng trong công nghiệp và công nghệ cao, như trong máy hút ẩm, thiết bị quang học. Khi đã hấp thụ đủ, hệ thống đưa nước vào buồng chân không, nơi nhiệt thải được thêm vào để tăng hiệu quả tách hơi, giải phóng hơi nước. Hơi nước này sau đó ngưng tụ thành nước lỏng thông qua bộ ngưng tụ chân không. Cả hai chu trình thu giữ và giải phóng diễn ra đồng thời để thu giữ nước một cách hiệu quả.

Sản phẩm thương mại hiện nay của công ty là AirJoule A1000, có thể sản xuất tới 3.000 lít nước mỗi ngày (khoảng 793 gallon) trong điều kiện nhiệt độ từ 5 đến 50OC, tiêu thụ rất ít năng lượng. Tuy nhiên, hệ thống này nặng tới 5 tấn nên không thích hợp cho mọi nhiệm vụ tác chiến, mà phù hợp hơn cho các căn cứ hoạt động tiền phương (FOB), tàu hải quân hoặc cơ sở cố định. Quân đội Mỹ muốn một phiên bản nhỏ gọn và bền bỉ hơn, có thể tận dụng trực tiếp nhiệt thải từ máy phát điện dùng trong hoạt động quân sự để tạo nước. Với công nghệ hiện tại, vẫn còn xa mới đạt tới mức một thiết bị cỡ ba lô mà binh sĩ có thể mang theo khi hành quân. Tuy nhiên, nếu có thể sản xuất nước uống ngay tại chỗ, chẳng hạn tại các căn cứ tác chiến tiền phương, quân đội Mỹ có thể giảm đáng kể chi phí hậu cần, dùng ít năng lượng hơn và đảm bảo nguồn cung nước an toàn, ổn định trong mọi điều kiện tác chiến.

Công nghệ từ Nhật Bản

Một thiết bị tạo nước từ không khí do công ty ENELL (có trụ sở tại thủ đô Tokyo) nghiên cứu và phát triển đã được thử nghiệm thực tế tại các công sở của thành phố Tomioka, tỉnh Gunma, Nhật Bản. Chiếc máy này có khả năng tạo ra khoảng 33 lít nước uống mỗi ngày chỉ từ không khí. Nếu sử dụng nguồn nước ngọt từ sông hoặc hồ, nó có thể lọc tới 600 lít nước sạch mỗi ngày nhờ hệ thống lọc đơn giản, tiết kiệm năng lượng. Theo giới thiệu từ ENELL, nguyên lý hoạt động của máy khá tương tự với hiện tượng ngưng tụ hơi nước tự nhiên. Không khí ẩm được hút vào bên trong, làm lạnh và ngưng tụ để tách hơi nước. Nước thu được sau đó đi qua hệ thống lọc và khử trùng nhiều tầng, đảm bảo đạt chuẩn an toàn cho nước uống trực tiếp. Toàn bộ quá trình chỉ cần cấp điện, không đòi hỏi nguồn nước đầu vào hay hóa chất bổ sung. Dự án được chính quyền thành phố Tomioka triển khai thử nghiệm từ năm ngoái. Mục tiêu là đánh giá hiệu quả của thiết bị trong việc cung cấp nước sạch cho binh sĩ, cơ quan công quyền, cũng như khả năng ứng dụng trong tình huống khẩn cấp, chẳng hạn khi xảy ra thiên tai, mất điện hoặc thiếu nước sinh hoạt.

Ý tưởng phát triển công nghệ này bắt nguồn từ bài học sau thảm họa động đất và sóng thần năm 2011, khi nhiều khu vực ở Nhật Bản rơi vào cảnh khan hiếm nước sạch. ENELL cho biết mong muốn đóng góp giải pháp bền vững giúp cộng đồng tự chủ hơn về nguồn nước, đồng thời giảm thiểu chi phí vận chuyển và rủi ro môi trường. Nếu kết quả thử nghiệm đạt yêu cầu, công nghệ của ENELL có thể được nhân rộng trên toàn Nhật Bản, không chỉ phục vụ cho các cơ quan hành chính mà còn trong trường học, bệnh viện, khu dân cư hoặc các khu vực chịu ảnh hưởng bởi biến đổi khí hậu và hạn hán… ENELL kỳ vọng sản phẩm này sẽ trở thành biểu tượng cho công nghệ xanh và an ninh nguồn nước trong kỷ nguyên mới. Mỗi quân nhân cần tiêu thụ vài lít nước mỗi ngày và nguồn nước đó phải an toàn để uống. Tuy nhiên, quân đội Mỹ hiếm khi hoạt động ở những nơi có nguồn nước uống dồi dào, nên việc cung cấp đủ nước sạch trở thành thách thức hậu cần lớn.

Làm thế nào để cung cấp hàng trăm nghìn gallon (1 gallon = 3,785 lít) nước sạch cho binh sĩ ở những khu vực khắc nghiệt, thiếu thốn? Trước đây, chỉ có 3 cách là liên tục vận chuyển nước đến, lọc nước sẵn có không đạt chuẩn, hoặc tận dụng nguồn nước trong khu vực.