Khoảng 39% lượng nước sạch lấy từ sông, hồ và hồ chứa ở Mỹ được dành cho nhu cầu làm mát của các nhà máy điện sử dụng nhiên liệu hóa thạch hoặc năng lượng hạt nhân, phần lớn lượng nước đó thất thoát qua những màn sương mù dày đặc. Hệ thống mới của MIT có khả năng tiết kiệm đáng kể lượng nước bị thất thoát này, thậm chí biến nó trở thành nguồn nước uống sạch và an toàn cho các thành phố ven biển, nơi nước biển được sử dụng để làm mát cho các nhà máy điện địa phương.
Nguyên lý công nghệ này khá đơn giản: khi màn sương mù dày đặc bị bắn phá bởi một chùm ion, các giọt nước mang điện tích sẽ bị hút về lưới dây, đọng lại trên lưới và chảy vào thùng chứa. Lượng nước thu được có thể tái sử dụng trong nhà máy điện hoặc chuyển đến hệ thống cấp nước của thành phố.
Công nghệ này là cơ sở hình thành Infinite Cooling, một doanh nghiệp khởi nghiệp vừa giành được Giải thưởng $100K Entrepreneurship Competition của MIT vào tháng 5/2018. TS. Maher Damak và PGS chuyên ngành cơ khí Kripa Varanasi, hai trong số những người đồng sáng lập Infinite Cooling vừa công bố nghiên cứu này trên tạp chí Science Advances.
Mục tiêu của PGS. Varanasi là phát triển các hệ thống tái tạo nước có hiệu năng cao để thu nước trong sương mù, cũng như hơi nước từ các tháp làm mát công nghiệp. Bắt đầu từ luận án tiến sĩ của Damak để nâng cao hiệu quả các hệ thống thu nước từ sương mù, vốn được dùng để tạo ra nước uống ở các vùng ven biển khan hiếm nước, thường sử dụng các loại lưới bằng nhựa hoặc kim loại treo dọc theo hướng di chuyển của sương mù vào đất liền từ biển. Chúng hoạt động rất kém hiệu quả, vì chỉ hút được khoảng 1-3% các giọt nước đi qua. Vì vậy Varanasi và Damak nghiên cứu cách thức để gia tăng lượng nước mà các loại lưới này hút được.
Nguyên nhân các hệ thống hiện có kém hiệu quả là do lỗi khí động học: khi luồng không khí đi qua các sợi dây trong các màn lưới, luồng không khí mang nước sẽ tự nhiên đi lệch qua hai bên dây. Kết quả là phần nước thu được thấp hơn rất nhiều do bị cuốn sang bên cạnh bởi tác động của các sợi dây nằm phía trước.
Tuy nhiên, khi sương mù được tích điện bằng một chùm ion, nó không chỉ làm tất cả các giọt nước đọng lại trên đường dây, mà còn làm cho những giọt nước đang hướng vào những lỗ hổng trong lưới cũng được kéo về phía dây kim loại. Do đó, hệ thống có thể hút được phần lớn các giọt nước đi qua nó, cải thiện đáng kể hiệu quả của các hệ thống chống sương mù với chi phí cực thấp, với các thiết bị rất đơn giản, tiêu thụ năng lượng tối thiểu.
Sau đó, nhóm nghiên cứu tập trung vào việc lấy nước từ các chùm tháp làm mát tại nhà máy điện. Ở đây tập trung nhiều hơi nước khiến cho hệ thống hoạt động hiệu quả hơn.
Varanasi nói: "Nước từ các chùm tháp làm mát là nước cất với chất lượng cao nhưng chúng hầu như bị lãng phí. Và đó là những gì chúng tôi đang cố gắng thu thập." Loại nước này có thể bơm vào hệ thống nước uống của thành phố, hoặc dùng trong các quy trình đòi hỏi nước tinh khiết như nồi hơi của nhà máy điện. Từ một nhà máy điện điển hình với công suất 600 megawatt có thể tái tạo 150 triệu gallon nước mỗi năm, tương đương hàng triệu đô la và đại diện cho khoảng 20 - 30% lượng nước bị mất từ tháp làm mát. Thêm tinh chỉnh, hệ thống có thể tái tạo nhiều nước hơn.
Với các nhà máy điện được xây dựng dọc theo bờ biển khô cằn, nhiều nhà máy được làm mát bằng nước biển. Hệ thống cho phép khử mặn với chi phí chỉ bằng một phần nhỏ chi phí xây dựng một nhà máy khử mặn riêng biệt. Damak và Varanasi ước tính chi phí lắp đặt của hệ thống này sẽ chỉ bằng khoảng một 1/3 chi phí xây dựng một nhà máy khử mặn hoàn toàn mới và chi phí vận hành của nó sẽ chỉ vào khoảng 1/50. Thời gian hoàn vốn sau khi lắp đặt hệ thống vào khoảng hai năm, Varanasi nói, về cơ bản hệ thống sẽ không để lại tác hại cho hệ sinh thái và không cần lắp đặt gì thêm vào nhà máy nguyên thủy.
"Đây có thể là một giải pháp tuyệt vời để giải quyết cuộc khủng hoảng nước toàn cầu. Nó có thể giúp giảm khoảng 70% nhu cầu về các nhà máy khử mặn trong thập kỷ tới." Varanasi nói.
Nhóm nghiên cứu hiện đang xây dựng một phiên bản thử nghiệm thực tế đặt trên các tháp giải nhiệt của Central Utility, là nhà máy sản xuất điện từ khí tự nhiên của MIT, cung cấp hầu hết điện cho nhu cầu sưởi ấm và làm mát cho khuôn viên trường. Việc thiết lập dự kiến sẽ thực hiện vào cuối mùa hè và thử nghiệm (các biến thể khác nhau của lưới và cấu trúc hỗ trợ của nó) vào mùa thu.
Thử nghiệm sẽ cung cấp minh chứng cho các nhà điều hành nhà máy điện - những người thường có xu hướng bảo thủ trong các lựa chọn công nghệ, những bằng chứng cho thấy cần áp dụng hệ thống mới. Lý do là các nhà máy điện thường có tuổi thọ hàng thập kỷ, và những người điều hành nhà máy điện thường "không thích mạo hiểm" với công nghệ mới và hay muốn biết "công nghệ này đã được thực hiện ở một nơi khác hay chưa?" Varanasi nói. Các thử nghiệm với nhà máy điện trong khuôn viên trường không chỉ "loại bỏ rủi ro" công nghệ, mà còn giúp MIT cải thiện chỉ số sử dụng nước (water footprinty). "Điều này có thể sẽ tác động lớn đến việc sử dụng nước trong khuôn viên trường." Varanasi cho biết.