Thế giới đang đứng trước một lựa chọn khó khăn cho sự phát triển bền vững trong tương lai khi các nguồn năng lượng đang dần cạn kiệt. Theo số liệu (năm 1999) của MITI – Bộ Thương mại và Công nghiệp Nhật Bản, dầu mỏ sẽ cạn kiệt sau khoảng 50 năm nữa, tương ứng là khí đốt – 60 năm; than đá – 230 năm; Uranium – 70 năm. Theo Edwin Cartlidge (Physics World 7/2007) hàng năm nhân loại tiêu dùng tổng các nguồn năng lƣợng vào cỡ 14x1016 kWh, trong đó tỷ trọng sử dụng năng lƣợng hoá thạch (than đá, dầu mỏ và khí tự nhiên) chiếm 90% các nguồn năng lƣợng đƣợc sử dụng. Đây là nguồn năng lƣợng gây ô nhiễm nhất, khiến Trái đất nóng lên do hiệu ứng nhà kính. Năng lƣợng hạt nhân cũng không phải là lựa chọn lâu dài vì không chỉ do sự cạn kiệt vào cuối thế kỷ này mà còn do tính thiếu an toàn với sự cố phóng xạ nhƣ đã từng xẩy ra ở Chernobyl (Liên xô cũ) và Fukushima (Nhật bản). Vì vậy, tỷ trọng điện hạt nhân sẽ giảm từ 7,3% nhƣ hiện nay xuống mức 4,6% vào năm 2030. Năng lƣợng thủy điện cũng làm biến đổi vi khí hậu và môi trường khu vực. Trọng tâm hướng về năng lượng tái tạo như điện gió, điện Mặt trời, điện thuỷ triều, năng lƣợng sinh học v.v.. đang là đề tài đƣợc bàn luận trong vòng một vài thập kỷ gần đây. Tuy nhiên, bài toán về năng lƣợng thay thế nguồn năng lƣợng hóa thạch vẫn còn bỏ ngỏ. Mất an ninh năng lƣợng đang thách thức không chỉ đối với sự phát triển kinh tế bền vững toàn cầu, mà còn tiềm ẩn nguy cơ gây các cuộc xung đột khu vực nhƣ Vùng Vịnh, Biển Đông…
Năng lƣợng Mặt trời đƣợc coi là một trong các dạng năng lƣợng tái tạo đƣợc lựa chọn. Mỗi mét vuông bề mặt Trái đất đƣợc ánh nắng Mặt trời chiếu thẳng vào lúc quang mây có thể cung cấp ~1kW công suất ánh sáng, tức là ~4.000 kWh/năm. Hiệu suất thu nhận năng lƣợng của các pin Mặt trời phổ biến ở mức 25%, nên cần phải có 4 m2 diện tích để thu đƣợc công suất 1 kW. Vì vậy, để cung cấp năng lƣợng cho cả thế giới trong 1 năm, cần một diện tích khoảng 100 triệu km2 tương đương với tổng diện tích của cả đại lục Á-Âu và châu Mỹ, hay 2/3 tổng diện tích các châu lục – đây là một điều không tưởng.
Chính vì vậy, theo bảng cân đối năng lượng toàn cầu trong tương lai, năng lượng Mặt trời cùng với điện gió, nhiên liệu sinh khối… chỉ chiếm một tỷ trọng khiêm tốn: ~10%.
Tuy nhiên, hiểu biết về nguồn năng lƣợng Mặt trời cho đến nay vẫn chỉ mới dừng lại ở kiến thức của vật lý đầu thế kỷ trước, khi cho rằng ánh sáng là tập hợp các photon
có năng lƣợng đƣợc tính theo công thức của Plank: E = hv, ở đây h ≈ 6,63x10-34Js; v – là tần số của photon. Trong báo cáo “Cấu trúc của photon” trình bầy tại Hội Nghị Khoa học Quang học và Quang phổ toàn quốc lần thứ VI năm 2010 tại Hà nội, đƣợc chấp nhận đăng trong Tuyển tập: “Advances in Optics, Photonics, Spectroscopy & Applications VI, 2011”, tác giả đã chứng minh đƣợc rằng photon là một hạt có cấu trúc từ 2 hạt cơ bản là electron và positron. Năng lƣợng tính theo công thức trên chỉ là ngoại năng của photon, chứ không phải năng lƣợng toàn phần của nó bao gồm cả nội năng nữa: Wph = 4mec2 với me = 9,1x10-31kg – là khối lƣợng của electron; c = 3x108 m/s – là tốc độ của ánh sáng trong chân không. Tức là đối với mỗi photon, ngoại năng đƣợc biết đến chỉ là một giá trị rất nhỏ so với năng lƣợng toàn phần của nó mà thôi: hv/4mec2. Ví dụ với tia hồng ngoại có v = c/λ ≈ 4,3x1014Hz, ta có tỷ lệ này là ~1/1.150.000, tức là nhỏ hơn một phần triệu lần so với nguồn năng lƣợng còn “ẩn dấu” trong photon chƣa đƣợc khai thác. Điều này khiến ta nhớ lại trước khi Einstein phát minh ra công thức E = mc2, người ta cho rằng năng lƣợng của mọi vật chỉ bằng động năng và thế năng (thực chất là ngoại năng) mà không bao gồm nội năng của chúng. Nhƣng thực tế đã chứng minh nội năng của vật lớn nhƣ thế nào và nhờ khai thác nó đã mở ra kỷ nguyên của năng lƣợng nguyên tử. Tuy nhiên, việc khai thác nguồn năng lƣợng này cũng chỉ tận dụng đƣợc cỡ phần nghìn trong tổng năng lƣợng hàm chứa trong công thức E = mc2 mà thôi. Giờ đây, nếu có thể tận dụng đƣợc ở mức ấy đối với photon theo cấu trúc đƣợc tác giả phát hiện, ta sẽ thu đƣợc nguồn năng lƣợng lớn hơn gấp hàng nghìn lần so với những gì hiện đang nhận đƣợc từ ngoại năng của nó. Và tính chất này cũng chỉ có ở photon, chứ không có ở bất cứ hạt vật chất nào khác đƣợc biết đến. Điều đó cũng có nghĩa là thay vì mỗi mét vuông bề mặt Trái đất không chỉ có thể đƣợc cung cấp ~1kW công suất ánh sáng Mặt trời, mà là cả hàng ngàn kW. Khi đó, để cung cấp đủ năng lƣợng cho toàn thế giới chỉ cần diện tích bằng 1/30 lần diện tích sa mạc Sahara – là một điều kiện hoàn toàn khả thi. Mà điều quan trọng hơn cả là không bao giờ hết (ít nhất cũng là cho tới khi Mặt trời chấm dứt sự tồn tại sau 4 tỷ năm nữa) và hoàn toàn thân thiện với môi trường. Hơn thế nữa, do tận dụng được nội năng của photon, nên các yếu tố thời tiết, vị trí kinh tuyến, vị trí của Mặt trời v.v.. hầu như không ảnh hưởng, vì chúng chỉ làm thay đổi ngoại năng của photon là chính. Cũng chính vì thế, phạm vi áp dụng sẽ được mở rộng cho tới cả những vùng cực, hay dưới biển cho tàu ngầm… thậm chí kể cả điều kiện làm việc về đêm với các bức xạ hồng ngoại, hay sóng vi ba – những photon này chỉ khác nhau chủ yếu bởi bước sóng, tức là ngoại năng của chúng, trong khi nội năng đều gần nhƣ nhau và xấp xỉ bằng 4mec2.
Vấn đề chỉ còn là cơ chế nào thu được nguồn năng lượng khổng lồ đó? Ý tưởng thật ra rất đơn giản: phải tách rời 2 hạt electron và possitron cấu tạo nên photon. Tự nhiên đã thực hiện đƣợc việc đó đối với hạt γ (một dạng photon), khi nó bay sát hạt nhân nguyên tử – chính là phản ứng sinh hạt như đã biết. Tuy nhiên, do hạt γ có kích thước xấp xỉ với kích thước hạt nhân (cỡ 10-15m), nên tác động của hạt nhân mới có tác dụng. Trong khi đó, đối với các photon khác, trong tự nhiên không có cơ chế nào có thể tách ra đƣợc các hạt cấu thành nên chúng cả, một phần vì kích thước của photon tương ứng với chúng quá lớn so với hạt nhân nguyên tử, một phần khác, do khả năng tiếp cận tới hạt nhân nguyên tử rất khó khăn với hàng rào các điện tử vây quanh. Tuy nhiên, nhờ những tiến bộ của khoa học và công nghệ của đầu thế kỷ XXI này, sự tách rời các hạt electron và positron ra khỏi nhau đã có thể thực hiện đƣợc về nguyên tắc. Và do đó, vấn đề tận dụng nội năng của photon đã có cơ hội để trở thành hiện thực, mở ra “Kỷ nguyên năng lƣợng photon” thay thế cho “Kỷ nguyên năng lƣợng nguyên tử” đang khép lại.
Viễn cảnh của tương lai, khi những máy phát điện photon trở thành hiện thực, hành tinh này sẽ không còn cần tới những nhà máy điện quy mô lớn tập trung, do đó sẽ không còn cần đến những cột điện cao thế truyền dẫn điện năng, mà thay vào đó, máy phát điện riêng sẽ có ở mỗi gia đình, ở mỗi phương tiện giao thông, mỗi máy công cụ…
một cách hoàn toàn độc lập, khái niệm “lưới điện” sẽ biến mất khỏi vốn từ vựng kỹ thuật.
Điều quan trọng nhất ở đây cần phải nhấn mạnh là từ trước tới nay, chúng ta chưa từng đƣợc biết tới nguồn năng lƣợng ẩn dấu này của ánh sáng, mà chỉ bằng lòng với những tác dụng của nó do ngoại năng mà nó đem lại theo công thức E = hv – một phần rất nhỏ năng lƣợng của ánh sáng mà thôi. Chính vì vậy, có thể nói "photon mới chính là nguồn năng lượng chính và vô tận trong tương lai của nhân loại", nó không độc hại với con người và môi trường, không gây nên hiệu ứng nóng lên toàn cầu, mà trái lại, giúp cân bằng lại quá trình bức xạ nhiệt từ bề mặt Trái đất ra không gian xung quanh, về thực chất là “một mũi tên trúng ba đích”: an ninh năng lượng, chống suy thoái môi trường và ổn định xã hội. Đó cũng chính là những lợi ích thiết thực nhất mà “Con đường mới của vật lý học” có thể đem đến cho nhân loại, bên cạnh những tri thức mới đột phá thực sự của nó về thế giới tự nhiên.
3.1 CÁCH NGHIÊN CỨU CỦA CÁC NHÀ KHOA HỌC
Nhóm các nhà khoa học do Michael Naughton (thuộc Trường Boston ở Chestnut Hill, bang Massachusetts, Mỹ) đứng đầu đã giới thiệu công trình nghiên cứu tại hội thảo quốc tế lần thứ 2 về đổi mới năng lƣợng do American Society of Mechanical Engineers tổ chức tại Jacksonville. Họ đã lắp đặt các thiết bị cảm ứng với độ dài của sóng hồng ngoại, dài hơn độ dài của ánh sáng nhìn bằng mắt thường (sóng này còn có thể đi xa hơn độ dài các tế bào quang điện hiện nay). Các nhà nghiên cứu đã sử dụng những tấm bảng dệt bằng hàng triệu ăng ten rất nhỏ, nhạy cảm với các quang tử IR của mặt trời và các nguồn khác. Đây là bước đầu tiên trong quá trình thu thập năng lượng với chi phí rẻ và cho sản lƣợng lớn.
Các ăng ten có kích thước nano có thể thu hồng ngoại trung bình, như là hồng ngoại chiếu xuống trái đất, ngay cả lúc nửa đêm, sau khi đã hấp thụ năng lƣợng mặt trời suốt cả ngày. Trong khi đó, pin mặt trời đang đƣợc sử dụng hiện nay mới chỉ thu đƣợc những ánh sáng mặt trời nhìn thấy đƣợc, và mất tác dụng vào ban đêm. Hơn nữa, sau khi đƣợc phát triển thêm, những ăng ten nano này còn có khả năng hấp thụ sức nóng dƣ thừa của các đồ vật vào ban đêm, và chuyển dạng năng lƣợng lãng phí này thành điện năng.
Những bộ phận nhỏ này được chế dưới dạng lò so xoắn bằng vàng, vạch trên cột trụ, dưới có poly-êtilen (một chất liệu thường được sử dụng trong các túi nhựa dẻo). Dale Kotter, một thành viên của nhóm nghiên cứu cho biết, trong số những loại sóng có tần số thấp của quang phổ điện từ đƣợc các nhà nghiên cứu khác đặt nhiều hi vọng nhƣ là vi sóng, sóng hồng ngoại đƣợc quan tâm hơn cả. Ông cũng cho biết thêm, một trong những lí do quyết định chọn tia hồng ngoại là do tính chất vật lý của các chất liệu sẽ thay đổi khi chúng bị sóng này tác động.
Họ đã thí nghiệm phản ứng của nhiều chất liệu, trong đó có cả đồng, vàng và măng gan, khi đặt chúng dưới tác động của tia hồng ngoại, thông qua xử lí bằng tin học để xác định các loại có hình dạng cấu tạo và có kích thước ăng ten tốt nhất. Mô hình hoàn hảo gồm tất cả các tham số này, sẽ cho phép thu đƣợc năng suất lên đến 92% lƣợng tia hồng ngoại, điều mà những thiết bị thu năng lượng mặt trời thông thường không thể đạt tới. Các nhà nghiên cứu đã tạo ra những nguyên mẫu đầu tiên đƣợc kiểm tra bằng tin học.
Những chiếc ăng ten nano đã được cài theo cách thông thường bằng các đường vòng quanh vào một chiếc đĩa bằng silic, và chúng có khả năng hấp thụ đến 80% số lƣợng tia hồng ngoại được chiếu lên. Sau đó chúng được chuyển sang bước khắc lên phần cột trụ poly-êtilen tán mỏng và đã tiến gần đến bước thực hiện hấp thụ tia hồng ngoại. Tuy lúc
này ăng ten vẫn còn trong quá trình kiểm tra, nhƣng những kết quả đầu tiên cho thấy khả năng hấp thụ tia hồng ngoại của chúng lên tới 50-60%, hoàn toàn đáp ứng đƣợc yêu cầu đề ra.
3.2 NỖ LỰC TRỞ THÀNH NĂNG LƢỢNG GIA DỤNG
Tuy nhiên những kĩ thuật này cần đƣợc hoàn thiện thêm để có thể đƣa loại năng lƣợng mới này vào sử dụng trong hộ gia đình. Việc chiếu các tia hồng ngoại lên ăng ten nano tạo ra dòng thay thế có tần số dao động lớn, điều này đòi hỏi phải có thiết bị nắn điện nhằm biến dòng này thành dòng liên tiếp. Tuy vậy, hiện giờ chƣa có thiết bị nắn điện nào có thể chịu đƣợc tần số này, thậm chí cũng chƣa có thiết bị phân tách nào có thể sử dụng để khai thác năng lƣợng này. Và các nhà khoa học còn đang cố gắng giải quyết vấn đề này. Nếu nhƣ vấn đề này đƣợc giải quyết, chúng ta sẽ có những thiết bị thu năng lƣợng mặt trời hiệu quả hơn, có năng suất cao hơn 20% so với năng lƣợng ánh sáng nhìn thấy bằng mắt thường. Các nhà khoa học đã phát triển và thực hiện lắp đặt các thiết bị phức tạp hơn, cho năng suất nhiều hơn, nhƣng hiện chi phí cho những thiết bị này khá đắt nếu đưa vào sử dụng phổ biến. Để sản xuất được các thiết bị tương đối đơn giản bằng biện pháp cài lên các vật có giá rẻ, những ăng ten nano này cần phải chịu đƣợc nhiều tần số chiếu tia hồng ngoại khác nhau tùy theo kích cỡ và cấu tạo của chúng. Chúng có thể có lớp vỏ ngoài làm bằng các vật thông dụng khác nhau, nhƣ là máy tính xách tay hay là điện thoại di động, nhằm cung cấp cho chúng nguồn năng lƣợng liên tiếp và có giá rẻ hơn.
Phần KẾT LUẬN
------
Ánh sáng hồng ngoại (tia hồng ngoại) là ánh sáng không thể nhìn thấy đƣợc bằng mắt thường, cú bước súng khoảng từ 0.86àm đến 1àm. Tia hồng ngoại cú vận tốc truyền bằng vận tốc ánh sáng. Dựa vào các tính chất cơ bản của tia hồng ngoại mà khoa học – kỹ thuật đã và đang nghiên cứu các ứng dụng của nó để phuc vụ cho đời sống con người. Đề tài “ Tia hồng ngoại và ứng dụng của nó trong y học, nông nghiêp, công nghiệp” thực sự đã đem lại cho em nhiều hiểu biết về tia hồng ngoại. Khi tìm hiểu về tia hồng ngoại và ứng dụng của nó ở chương 1 đã trình bày khái quát về tia hồng ngoại và đã giúp em có tầm nhìn một cách tổng quát về lịch sử phát hiện tia hồng ngoại, tính chất, các vùng hồng ngoại. Chương 2 tập trung vào trình bày các ứng dụng của nó trong y học, nông nghiệp, công nghiệp. Chương 3 nêu khái quát về tiềm năng của tia hồng ngoại là nguồn năng lượng mới vô tận trong tương lai.
Với những ứng dụng ngày càng nhiều của tia hồng ngoại, việc nghiên cứu lý thuyết. Và khảo sát thực nghiệm một số tính chất của tia hồng ngoại là rất quan trọng.
Tuy nhiên, vì thời gian và trình độ có hạn nên em chỉ tìm hiểu ba ứng dụng của tia hồng ngoại vào trong thực tế.
Mặc dù đây chỉ là những kết quả tìm hiểu ban đầu nhƣng nó đã đem đến cho em những hiểu biết sâu hơn về tia hồng ngoại. Những hiểu biết về tia hồng ngoại và một số ứng dụng của nó sẽ góp phần làm cho bài giảng của em ở phổ thông sâu hơn và phong phú hơn. Ngoài ra, đề tài còn rèn luyện cho em bước đầu làm quen với phương pháp nghiên cứu khoa học và những đức tính cần thiết của người nghiên cứu vật lý: cần cù nhẫn nại, bình tĩnh, trung thực, khách quan, tinh tế… Mong rằng đề tài này sẽ là tiền đề để cho em nghiên cứu quang phổ hồng ngoại ở bậc cao học sau này nếu có điều kiện.