Hệ thống tạo nước từ không khí cho cư dân vùng biển đảo

Hệ thu hồi nước đa tầng của nhóm nghiên cứu do anh Nguyễn Minh Hoàng, cán bộ Khoa Vật lý - Lý sinh, Học viện Quân y, làm người đại diện đã giành giải nhì tại cuộc thi Sáng kiến Khoa học 2025.

Hệ thống này bao gồm ba bộ phận chính: bơm nước sử dụng năng lượng gió, màng chuyển đổi quang nhiệt đa tầng làm từ hạt cầu carbon, và bộ phận thu hồi nước ngưng tụ. Tất cả đều được thiết kế tối giản, chi phí thấp, dễ chế tạo và phù hợp với điều kiện thực tế vùng đảo.

Nguyên lý hoạt động của thiết bị này là bộ phận bơm nước sử dụng cánh quạt và piston để đưa nước lên các tầng màng quang nhiệt ở độ cao khác nhau, tạo nên một thiết kế khác biệt, chưa từng được tích hợp trong các công nghệ thu hồi nước trước đây. Theo anh Hoàng, đại diện nhóm nghiên cứu, nguyên lý của thiết bị giúp tăng hiệu suất bay hơi lên hơn 1,2 lít/m2/giờ mà không cần phải tạo ra những cấu trúc màng bay hơi phức tạp và sử dụng vật liệu chuyển đổi quang nhiệt giá thành cao. Hơn thế nữa, để tăng lượng nước thu hồi chỉ cần tăng số tầng bay hơi mà không cần tăng kích thước của hệ, giúp giảm diện tích lắp đặt.

Về mặt công nghệ, hệ thống áp dụng các vật liệu chuyển đổi quang nhiệt - hạt cầu carbon, có hiệu suất chuyển đổi ánh sáng mặt trời thành nhiệt cao, dễ chế tạo và chi phí rẻ. Thiết kế màng đa tầng tối ưu hóa góc chiếu sáng và phản xạ ánh sáng giữa các tầng, kết hợp với vật liệu xốp melamine giữ nước, thể hiện sự tiên tiến trong việc nâng cao hiệu quả sử dụng năng lượng tự nhiên. Thiết bị không phụ thuộc vào điện lưới hay nhiên liệu hóa thạch mà vẫn đạt hiệu suất ổn định trong điều kiện gió biển 3-7 m/s và bức xạ mặt trời 5-7 kWh/m2/ngày, phù hợp với điều kiện tự nhiên và cơ sở hạ tầng hạn chế của các vùng biển đảo.

Anh Hoàng cho biết, tiền đề của ý tưởng đến từ những chuyến đi thực địa tại các vùng ven biển và hải đảo, nơi người dân thường xuyên đối mặt với tình trạng thiếu nước ngọt. Trong khi đó, những khu vực này lại có nguồn năng lượng tự nhiên rất dồi dào, đặc biệt là ánh sáng mặt trời và gió biển. "Đây là động lực để tôi và nhóm nghiên cứu phát triển hệ thống thu hồi nước đa tầng sử dụng năng lượng xanh, một giải pháp thân thiện với môi trường, tiết kiệm năng lượng và phù hợp với thực tiễn", anh Hoàng nói.

Từ ý tưởng ban đầu, nhóm nghiên cứu từng bước triển khai các thử nghiệm trong phòng thí nghiệm, thiết kế mô hình, chế tạo thiết bị và đánh giá hiệu suất hoạt động.

Hệ thu hồi nước đa tầng được chứng minh tính hiệu quả thông qua khả năng sản xuất nước sạch tối ưu trong điều kiện thực tế. Hệ thống đạt hiệu suất thu hồi hơn 1,2 lít/m2/giờ. Anh Hoàng cho biết trong điều kiện thử nghiệm tại tốc độ gió 3-7 m/s – mức phổ biến ở vùng biển đảo Việt Nam – hệ thống bơm được 15-25 lít nước/giờ, duy trì hoạt động ổn định mà không phụ thuộc vào điện lưới. So với các phương pháp khử muối như thẩm thấu ngược hay chưng cất nhiệt, hệ thống không chỉ tiết kiệm năng lượng mà còn giảm tổn thất nhiệt và không tạo nước thải muối đậm đặc, nâng cao hiệu quả sử dụng tài nguyên và bảo vệ môi trường. "Tính hiệu quả này khiến hệ thống trở thành giải pháp bền vững, đáp ứng nhu cầu nước sạch tại các khu vực khắc nghiệt như biển đảo một cách tối ưu", đại diện nhóm nghiên cứu nhấn mạnh.

Hiện thiết bị chưa được triển khai rộng rãi trong thực tế cộng đồng nhưng được đánh giá có tiềm năng phát triển, mở ra hướng đi mới trong công nghệ xử lý nước sạch và ứng dụng năng lượng tái tạo. Hệ thống có thể thay đổi thiết kế, tăng số lượng tầng màng quang nhiệt, từ đó nâng cao hiệu suất thu hồi nước để đáp ứng nhu cầu ở quy mô lớn hơn, từ cộng đồng dân cư nhỏ đến các khu công nghiệp ven biển.

Tại Việt Nam, nơi tiềm năng năng lượng mặt trời (3-6 kWh/m²/ngày) và gió biển (5-10 m/s) dồi dào, hệ thống có thể được triển khai rộng rãi trên các đảo như Phú Quốc, Côn Đảo, hay quần đảo Trường Sa, không chỉ cung cấp nước sạch mà còn hỗ trợ phát triển kinh tế bền vững. Tiềm năng thương mại hóa cũng rất lớn, khi hệ thống có chi phí vận hành thấp, dễ sản xuất hàng loạt và phù hợp với các thị trường thiếu nước toàn cầu.

Với khả năng cung cấp nước sạch với hiệu suất hơn 1,2 lít/m2/giờ, đủ để đáp ứng nhu cầu sinh hoạt cơ bản như uống, nấu ăn và vệ sinh cho các hộ gia đình hoặc cộng đồng nhỏ mà không cần phụ thuộc vào nguồn nước ngầm khan hiếm hay vận chuyển tốn kém từ đất liền. Chi phí vận hành thấp nhờ tận dụng năng lượng mặt trời và gió cũng góp phần giảm gánh nặng tài chính cho người dân, đặc biệt là ở những khu vực kinh tế khó khăn như các đảo xa của Việt Nam.

Tuy nhiên, thách thức mà nhóm gặp phải là kinh phí triển khai ngoài thực địa và tâm lý dè dặt ban đầu từ phía người dân. Anh Hoàng cho biết thiết bị mới mẻ nên không phải ai cũng sẵn sàng thử nghiệm. "Để khắc phục, chúng tôi đã hướng tới thiết kế mô hình đơn giản, dễ sử dụng, chi phí thấp, đồng thời thực hiện video minh họa, tài liệu hướng dẫn, và liên hệ các tổ chức tài trợ, quỹ đổi mới sáng tạo để huy động nguồn lực cần thiết cho các giai đoạn tiếp theo", anh nói.

Trong tương lai, nhóm nghiên cứu sẽ hướng đến việc mở rộng số tầng bay hơi, nghiên cứu tích hợp lưu trữ nhiệt và điện từ năng lượng gió để thiết bị có thể hoạt động cả vào ban đêm hoặc trong điều kiện ít nắng. Ngoài ra, nhóm đang phát triển mô-đun hóa thiết bị, nhằm đáp ứng nhiều quy mô khác nhau, từ hộ gia đình đến các cụm dân cư hoặc cơ sở y tế, trường học trên đảo. Việc tích hợp thêm cảm biến theo dõi và truyền dữ liệu từ xa qua công nghệ IoT cũng là một bước phát triển để tăng tính tự động hóa và kiểm soát hiệu quả hoạt động của hệ thống trong thời gian dài.

Song Chi