Một nhóm nghiên cứu mới đây đã công bố phương pháp tạo ra điện năng không tiếp xúc, chỉ sử dụng khí nén kết hợp với cấu trúc tuabin Tesla. Công nghệ này khai thác trực tiếp điện tích tĩnh và lực nhớt của luồng khí để tạo ra dòng điện, mà không cần bổ sung hạt hay chất dẫn điện trung gian. Theo công bố, hệ thống đạt điện áp đầu ra cực đại lên tới 800 V, dòng điện 2,5 A ở tần số 325 Hz, cho thấy tiềm năng ứng dụng đáng chú ý trong môi trường công nghiệp.
Các nhà nghiên cứu cho biết điện áp đầu ra cao của hệ thống không chỉ phục vụ cho mục đích phát điện mà còn có thể tạo ra các ion âm. Những ion này giúp trung hòa và thu gom bụi cũng như hơi ẩm trong không khí, qua đó góp phần cải thiện chất lượng không khí và giảm nguy cơ phát sinh tĩnh điện trong các dây chuyền sản xuất. Theo nhóm nghiên cứu, cách tiếp cận tích hợp này đã mở rộng đáng kể khả năng ứng dụng thực tiễn của công nghệ thu năng lượng dựa trên tĩnh điện trong công nghiệp.
Các nhà nghiên cứu đã giới thiệu một phương pháp tạo ra điện không tiếp xúc chỉ sử dụng khí nén và cấu trúc tuabin Tesla. Hệ thống này đạt được điện áp đầu ra cực đại 800 V và dòng điện 2,5 A ở tần số 325 Hz mà không cần bất kỳ hạt bổ sung nào, nhờ tận dụng điện tích tĩnh điện và lực nhớt của khí nén.
Hệ thống mới được phát triển dựa trên cảm hứng từ tuabin Tesla, một thiết kế tuabin quay không cánh do Nikola Tesla được cấp bằng sáng chế vào năm 1913. Khác với các tuabin truyền thống sử dụng cánh nghiêng để làm lệch hướng dòng chảy và chuyển đổi động năng thành công cơ học, tuabin Tesla dựa vào lực cản nhớt của chất lỏng hoặc khí. Thiết kế này sử dụng các đĩa nhẵn được đặt sát nhau, cho phép không khí bám vào bề mặt đĩa và truyền động lượng khi dòng khí xoáy dần vào tâm.
Thiết bị trong nghiên cứu mới kết hợp ý tưởng tuabin có tuổi đời hơn một thế kỷ với các vật liệu ma sát điện hiện đại. Cấu trúc hệ thống bao gồm một cụm đĩa quay, các lớp ma sát điện được chế tạo từ các vật liệu đối lập, ổ trục và vỏ bảo vệ bằng acrylic.
Không khí nén được đưa vào thông qua một cửa hút, tạo thành dòng xoáy tốc độ cao lên tới 300 m mỗi giây. Luồng khí này làm quay bộ rotor hoàn toàn dựa trên ma sát bề mặt, không cần cánh truyền thống. Theo báo cáo của Nanowerk, ở áp suất 0,2 MPa, bộ quay đạt tốc độ 8.472 vòng mỗi phút.
Công nghệ này được đánh giá có tiềm năng trở thành giải pháp đa năng cho các cơ sở công nghiệp hiện đang sử dụng khí nén. Bên cạnh khả năng tạo ra điện năng, hệ thống còn giúp trung hòa tĩnh điện, từ đó cải thiện an toàn lao động và chất lượng môi trường làm việc. Nhóm nghiên cứu cho rằng việc giảm thiểu rủi ro do tĩnh điện và tận dụng nguồn năng lượng vốn bị bỏ phí có thể giúp các doanh nghiệp giảm chi phí vận hành và nâng cao hiệu quả sản xuất.
Ý tưởng thu hoạch điện tích tĩnh trong khí nén vốn xuất phát từ một vấn đề tồn tại lâu nay trong công nghiệp. Khí nén được sử dụng rộng rãi trong các ngành sản xuất, ô tô và robot nhờ tính linh hoạt và hiệu quả.
Tuy nhiên, khi di chuyển qua hệ thống đường ống, khí nén thường mang theo các hạt bụi nhỏ và phân tử nước. Khi va chạm với bề mặt bên trong ống dẫn, các hạt này có thể tích tụ điện tích tĩnh do hiệu ứng ma sát điện, gây ra nguy cơ cháy nổ hoặc làm suy giảm độ an toàn của hệ thống.
Ý tưởng thu hoạch điện tích tĩnh trong không khí nén, vốn từ lâu đã là một vấn đề gây khó chịu trong môi trường công nghiệp, mang đến một cách tiếp cận sáng tạo để biến chất thải thành năng lượng hữu ích đồng thời giải quyết một vấn đề an toàn quan trọng. Sự kết hợp giữa cái cũ (tuabin của Tesla) và cái mới (vật liệu ma sát điện và điện tử hiện đại) có thể cách mạng hóa cách chúng ta nhìn nhận và sử dụng các lực có trong các quy trình công nghiệp hàng ngày.
Tuabin Tesla, với thiết kế không cánh dựa trên lực cản nhớt, cho phép khai thác trực tiếp các lực vật lý vốn đã tồn tại trong dòng khí. Việc không sử dụng cánh giúp giảm số lượng bộ phận chuyển động, từ đó tăng độ bền và giảm hao mòn cơ học so với các tuabin truyền thống. Đây cũng là nền tảng giúp hệ thống mới có thể hoạt động ổn định trong môi trường công nghiệp khắc nghiệt.
Nghiên cứu này cho thấy tiềm năng lớn của việc kết hợp các nguyên lý kỹ thuật cổ điển với khoa học vật liệu và điện tử hiện đại. Bằng cách thu giữ và chuyển hóa điện tích tĩnh trong khí nén thành năng lượng hữu ích, công nghệ tuabin Tesla không cánh không chỉ mở ra hướng tiếp cận mới cho việc sản xuất điện công nghiệp mà còn góp phần giải quyết những thách thức lâu dài liên quan tới an toàn và hiệu quả vận hành. Trong bối cảnh các ngành công nghiệp ngày càng chú trọng tới tính bền vững, giải pháp này được kỳ vọng sẽ mang lại những thay đổi đáng kể trong cách con người khai thác và sử dụng năng lượng sẵn có.
Đức Khương
