Tiếng ồn từ lâu đã được coi là một “đặc sản bất đắc dĩ” và là một trong những dạng ô nhiễm môi trường nghiêm trọng nhất tại các đô thị hiện đại. Từ tiếng gầm rú của động cơ xe máy, tiếng còi xe chói tai vào giờ cao điểm, cho đến âm thanh ầm ĩ từ các công trường xây dựng và hệ thống thông gió công nghiệp – tất cả tạo nên một bản giao hưởng hỗn loạn gây căng thẳng cho con người. Tuy nhiên, dưới góc nhìn của khoa học công nghệ, những luồng sóng âm này lại mang theo một nguồn động năng khổng lồ chưa được khai thác.
Mới đây, các nhà khoa học từ Đại học Kỹ thuật Bắc (Universidad Técnica del Norte – UTN) tại Ibarra, Ecuador, đã mang đến một tia sáng mới cho bài toán này. Họ đã phát triển thành công một nguyên mẫu “máy phát điện âm thanh” cỡ nhỏ, có khả năng thu thập và chuyển hóa trực tiếp những tiếng ồn thành nguồn điện năng hữu ích. Sự kiện này không chỉ đánh dấu một bước tiến trong lĩnh vực thu hồi năng lượng mà còn mở ra những hướng đi đầy hứa hẹn cho việc xây dựng hạ tầng đô thị thông minh tại các quốc gia đang phát triển như Việt Nam.
Trái tim của thiết bị do nhóm nghiên cứu UTN phát triển là một màng rung siêu nhạy, được thiết kế đặc biệt để cộng hưởng với các dải tần số âm thanh thấp. Những âm thanh có tần số thấp thường phát ra từ động cơ hạng nặng, quạt thông gió công nghiệp hay dòng chảy giao thông, có đặc điểm là truyền đi rất xa và mang theo năng lượng cơ học đáng kể.
Khi sóng âm đập vào thiết bị, màng rung này sẽ dao động. Thông qua các vật liệu đặc biệt (thường là vật liệu áp điện – piezoelectric, có khả năng sinh ra điện tích khi bị biến dạng cơ học), dao động cơ học này được chuyển đổi trực tiếp thành dòng điện.
Theo các báo cáo thử nghiệm, trong điều kiện tối ưu, thiết bị có thể tạo ra mức điện áp lên tới 100 millivolt (mV) và công suất khoảng 1 micro-watt (µW) trên mỗi centimet vuông diện tích màng rung. Mặc dù con số này nghe có vẻ vô cùng khiêm tốn, chắc chắn không thể dùng để sạc điện thoại hay thắp sáng bóng đèn, nhưng trong thế giới của Internet vạn vật (IoT), đây lại là một nguồn lực khổng lồ. Các vi mạch hiện đại và cảm biến môi trường ở chế độ chờ (sleep mode) chỉ tiêu thụ năng lượng ở mức nano-watt. Khi kết hợp thiết bị này với các tụ điện siêu nhỏ để tích lũy năng lượng, nó hoàn toàn đủ khả năng cung cấp điện năng cho các cảm biến hoạt động theo chu kỳ (ví dụ: đo nhiệt độ và gửi dữ liệu 1 lần/h).
Một điểm cộng xuất sắc khác của hệ thống này là thiết kế nguyên khối. Thiết bị hoàn toàn kín khít, không có bất kỳ bộ phận cơ khí nào chuyển động xoay hay trượt (no moving parts). Điều này đồng nghĩa với việc nó không bị hao mòn cơ học, không cần bôi trơn và miễn nhiễm với môi trường khắc nghiệt như khói bụi hay độ ẩm cao.
Đô Thị Việt Nam: “Mỏ Vàng” Của Tiếng Ồn
Nếu có một nơi nào trên thế giới có thể hưởng lợi tối đa từ công nghệ này, thì đó chính là Việt Nam. Các đại đô thị như Hà Nội và Thành phố Hồ Chí Minh đang đối mặt với mức độ ô nhiễm tiếng ồn báo động. Theo nhiều quan trắc môi trường, mức độ ồn trung bình tại các trục đường giao thông chính thường xuyên vượt ngưỡng an toàn 70 dB, thậm chí chạm mức 85 – 90 dB vào giờ cao điểm.
Sự bùng nổ của phương tiện cá nhân, quá trình đô thị hóa diễn ra với tốc độ chóng mặt kéo theo hàng loạt công trình xây dựng, cùng với thói quen sinh hoạt và kinh doanh bám mặt đường đã biến đường phố Việt Nam thành một nguồn “nhiên liệu âm thanh” bất tận. Thay vì chỉ xem đây là một tác nhân gây hại cho sức khỏe cộng đồng, công nghệ của UTN cho phép chúng ta thay đổi tư duy: biến tiếng ồn thành một tài nguyên tái tạo để nuôi dưỡng chính hệ sinh thái thông minh của thành phố.
Việc áp dụng công nghệ máy phát điện âm thanh tại Việt Nam có thể giải quyết được “nút thắt cổ chai” lớn nhất trong việc phát triển Đô thị thông minh (Smart City): Nguồn điện cho hàng triệu cảm biến IoT.
Hiện tại, hầu hết các cảm biến không dây đều chạy bằng pin hóa học. Việc bảo trì, tìm kiếm và thay thế pin cho hàng chục ngàn cảm biến nằm rải rác trên đỉnh cột điện, dưới cống ngầm hay trên cầu vượt là một bài toán tiêu tốn khổng lồ về nhân lực và ngân sách, chưa kể đến vấn đề rác thải pin độc hại. Với máy phát điện âm thanh, các thiết bị này có thể trở nên “tự thân vận động” vĩnh viễn.
Kịch bản ứng dụng khả thi nhất tại Việt Nam:
1. Hệ thống giao thông thông minh (ITS): Dọc theo các tuyến đường cao tốc, cầu vượt (như cầu Thanh Trì, cao tốc Long Thành – Dầu Giây) hay trong các hầm chui (hầm Thủ Thiêm, hầm đường bộ Đèo Cả), tiếng ồn từ ma sát lốp xe và động cơ là liên tục. Việc lắp đặt các màng thu âm thanh ngay trên dải phân cách hoặc thành hầm có thể cấp điện trực tiếp cho các cảm biến đếm lưu lượng xe, cảm biến đo độ rung để theo dõi chất lượng kết cấu của cầu đường, hoặc cảm biến đo nồng độ khí thải.
2. Quan trắc môi trường đô thị: Các trạm đo chất lượng không khí (đo bụi mịn PM2.5, PM10, CO2) có thể được tích hợp màng thu năng lượng này và gắn trực tiếp trên các cột đèn tín hiệu giao thông tại các ngã tư đông đúc. Tiếng ồn từ dòng xe cộ dừng đỗ và di chuyển sẽ là nguồn sạc vô tận, giúp dữ liệu môi trường được truyền về trung tâm điều hành theo thời gian thực mà không lo gián đoạn do hết pin.
3. Khu công nghiệp và nhà máy sản xuất: Tại các khu công nghiệp ở Bình Dương, Đồng Nai hay Bắc Ninh, tiếng ồn từ hệ thống quạt thông gió khổng lồ, máy nén khí và dây chuyền lắp ráp là một hằng số. Thiết bị thu hồi năng lượng này có thể được gắn thẳng vào ống thông gió hoặc bệ máy. Năng lượng thu được sẽ nuôi các cảm biến nhiệt độ và độ rung (vibration sensors) để chẩn đoán sớm hỏng hóc của máy móc, phục vụ cho xu hướng Bảo trì dự đoán trong Công nghiệp 4.0.
Dù bức tranh tương lai vô cùng rực rỡ, chúng ta vẫn phải nhìn nhận thực tế một cách khách quan. Công nghệ này hiện vẫn đang trong giai đoạn phòng thí nghiệm và nguyên mẫu. Mức năng lượng micro-watt chỉ giải quyết được bài toán cho các thiết bị truyền dẫn tín hiệu tầm ngắn (như Bluetooth Low Energy, Zigbee, LoRa). Nó không thể cấp điện cho các camera giám sát an ninh (CCTV) hay hệ thống đèn chiếu sáng. Để tối ưu hóa hiệu suất, màng rung cần được chế tạo từ các vật liệu nano hoặc gốm áp điện tiên tiến. Chi phí sản xuất hàng loạt (scale-up) cho đến nay vẫn là một ẩn số. Nếu chi phí lắp đặt thiết bị này đắt hơn nhiều so với việc sử dụng pin Lithium truyền thống trong vòng 5 năm, các nhà hoạch định chính sách và doanh nghiệp sẽ ngần ngại khi đầu tư.
Công nghệ biến tiếng ồn thành điện năng của Đại học Kỹ thuật Bắc, Ecuador, là một minh chứng tuyệt vời cho sự sáng tạo của con người: tìm thấy cơ hội ngay trong những vấn đề nan giải nhất. Đối với một quốc gia đang trong quá trình chuyển đổi số mạnh mẽ nhưng lại bị bủa vây bởi ô nhiễm tiếng ồn như Việt Nam, đây không chỉ là một bài báo khoa học thú vị, mà còn là một gợi ý chiến lược. Khi được hoàn thiện và thương mại hóa, những “tấm pin âm thanh” siêu nhỏ này hoàn toàn có thể trở thành những tế bào năng lượng ẩn mình, âm thầm nuôi dưỡng sự thông minh của các đô thị Việt trong tương lai.