Startup biến nhôm thành siêu nhiên liệu không phát thải carbon

Một lon soda bị nghiền nát biến mất nhanh chóng trong một đám hơi nước và khí hydro mờ ảo, báo hiệu một bước đột phá tiềm năng trong lĩnh vực năng lượng sạch. Found Energy, một công ty khởi nghiệp có trụ sở tại Boston, đang đặt cược vào khả năng khai thác năng lượng từ kim loại nhôm để loại bỏ nhiên liệu hóa thạch trong các quy trình công nghiệp.

Peter Godart, Nhà sáng lập kiêm CEO của Found Energy, mô tả thí nghiệm: "Tôi có thể duy trì phản ứng này bằng cách thêm nước. Đây là nước ở nhiệt độ phòng, và nó sôi ngay lập tức. Làm trên bếp của bạn sẽ chậm hơn thế này". Ông vừa nói vừa rót nước vào cốc thủy tinh đang bốc hơi, minh họa tốc độ phản ứng cực nhanh.

Từ năm 2022, Found Energy đã nỗ lực phát triển các phương pháp giải phóng năng lượng nhanh chóng từ nhôm ở quy mô nhỏ. Giờ đây, công ty vừa cho ra mắt một phiên bản lớn hơn nhiều của động cơ chạy bằng nhôm, mà Godart tự tin tuyên bố là lò phản ứng nước nhôm lớn nhất từng được chế tạo.

Dự án đầy tham vọng này sẽ được lắp đặt vào đầu năm sau tại một cơ sở sản xuất ở miền Đông Nam nước Mỹ. Mục tiêu là cung cấp nhiệt và hydro bằng cách sử dụng chính chất thải nhôm do nhà máy này thải ra làm nhiên liệu.

Nếu kế hoạch diễn ra suôn sẻ, công nghệ sử dụng chất xúc tác để giải phóng năng lượng lưu trữ trong nhôm có thể biến một lượng lớn phế liệu nhôm thành nhiên liệu không carbon. Nhiệt lượng cao do động cơ tạo ra đặc biệt có ý nghĩa trong việc giảm đáng kể lượng khí thải nhà kính từ các quy trình công nghiệp khó điện hóa, chẳng hạn như sản xuất xi măng và tinh luyện kim loại.

Những đột phá qua quá trình thí nghiệm

Xung quanh các đường ống và dây điện của lò phản ứng thử nghiệm, Godart nhận định: “Chúng tôi đã phát minh ra nhiên liệu, vừa là một phước lành vừa là một tai họa. Đây là một cơ hội lớn cho chúng tôi, nhưng cũng đồng nghĩa với việc chúng tôi phải phát triển tất cả các hệ thống xung quanh. Chúng tôi đang định nghĩa lại khái niệm động cơ”.

Cốt lõi trong phương pháp của Found Energy là chất xúc tác kim loại lỏng độc quyền. Godart giải thích rằng chất này "thấm vào cấu trúc vi mô" của nhôm. Khi nhôm phản ứng với nước, chất xúc tác sẽ làm cho kim loại sủi bọt và tách ra, liên tục làm lộ ra bề mặt nhôm chưa phản ứng để tiếp xúc với nước.

Thành phần cụ thể của chất xúc tác này là độc quyền, nhưng Godart tiết lộ đó là "kim loại lỏng có điểm nóng chảy thấp không phải thủy ngân." Luận án nghiên cứu trước đây của ông tập trung vào việc sử dụng hỗn hợp lỏng của gali và indi làm chất xúc tác, và ông khẳng định nguyên lý hoạt động đằng sau vật liệu hiện tại vẫn tương tự.

Phòng thí nghiệm R&D của Found Energy hiện chiếm gần hết hai tầng của một tòa nhà công nghiệp ở khu Charlestown, Boston, sau vòng gọi vốn hạt giống trị giá 12 triệu đô la vào năm ngoái.

Trong chuyến thăm đầu tháng 10, Godart đã đích thân trình diễn phản ứng trung tâm này. Để tránh phản ứng xảy ra do ngón tay còn ẩm, ông dùng kẹp gắp một viên nhôm đã được xử lý bằng chất xúc tác bí mật và đặt vào cốc thủy tinh, sau đó thêm nước.
"Một trong những trở ngại cho sự phát triển của công nghệ này là [phản ứng nhôm-nước] diễn ra quá chậm chạp," Godart nói. "Nhưng bạn có thể thấy ở đây chúng tôi đang tạo ra hơi nước. Chúng tôi vừa mới chế tạo một nồi hơi”.

Peter Godart tại phòng thí nghiệm của Found Energy

Từ NASA tới Nhiên liệu sạch

Peter Godart tiết lộ rằng ý tưởng về việc khai thác năng lượng từ nhôm đã nhen nhóm ttừ khi anh còn là nhà khoa học tại NASA. Khi đó, anh đang nghiên cứu chế tạo các robot nhôm tự tiêu thụ năng lượng để di chuyển trên vệ tinh băng giá Europa của Sao Mộc. Công trình tuy nhiên sau đó đã bị ngừng lại do Quốc hội Mỹ cắt giảm ngân sách.

"Tôi đã trải qua một cuộc khủng hoảng nho nhỏ, kiểu như, mình cần phải làm gì đó về biến đổi khí hậu, về các vấn đề của Trái Đất," Godart chia sẻ. "Và tôi đã nghĩ, bạn biết đấy - tôi cá là công nghệ nhôm này sẽ còn tốt hơn nữa cho các ứng dụng của Trái Đất”.

Sau khi hoàn thành luận án về nhiên liệu nhôm tại MIT, Godart thành lập Found Energy tại nhà riêng ở Cambridge vào năm 2022. Năm tiếp theo, ông đã được vinh danh trong danh sách 35 Nhà đổi mới dưới 35 tuổi của tập san khoa học MIT Technology Review.

Cho đến năm nay, công ty vẫn tập trung nghiên cứu ở quy mô nhỏ, tinh chỉnh chất xúc tác và thử nghiệm các điều kiện trong lò phản ứng 10 kilowatt. Mục tiêu là giải phóng nhiệt và hydro nhanh hơn.

Đến tháng 1, công ty bắt đầu thiết kế động cơ lớn hơn gấp 10 lần, đủ sức cung cấp năng lượng hữu ích cho các quy trình công nghiệp. Chiếc động cơ lớn hơn này, chiếm gần hết diện tích phòng thí nghiệm tầng hai, trông giống như một nồi hơi nước được lật nghiêng.

Found Energy đã khởi động động cơ vào tháng 7 và đến tháng 9 đã đạt được công suất mục tiêu 100 kilowatt—tương đương công suất động cơ diesel của một chiếc xe bán tải nhỏ.

Đầu năm 2026, công ty dự kiến lắp đặt động cơ 100 kilowatt để cung cấp nhiệt và hydro cho cơ sở sản xuất dụng cụ. Dự án thí điểm này là bước chứng minh khái niệm cần thiết để huy động vốn cho lò phản ứng 1 megawatt, lớn hơn gấp 10 lần.

Theo Godart, năng lượng nhiệt và hydro được giải phóng có thể được sử dụng theo nhiều cách: Hơi nước nóng có thể làm quay tuabin để sản xuất điện; hydro có thể sản xuất điện trong pin nhiên liệu. Đốt cháy hydro trong hơi nước có thể tạo ra hơi nước siêu nhiệt lên tới 1300 độ C, nếu đốt cháy hydro riêng có thể đạt tới nhiệt độ 2400 độ C - đủ nóng để sản xuất thép.

Mặc dù hy vọng cung cấp năng lượng cho nhiều quy trình công nghiệp, mục tiêu ban đầu của Godart là ngành công nghiệp tinh chế và tái chế nhôm.

"Các nhà tái chế nhôm đang tìm đến chúng tôi, yêu cầu chúng tôi tiếp nhận chất thải nhôm khó tái chế của họ và biến nó thành nhiệt sạch," Godart tiết lộ, nhưng từ chối nêu tên công ty vì thỏa thuận bảo mật.

Ông gọi việc này là "bí mật bẩn thỉu" của một ngành công nghiệp được cho là tái chế toàn bộ phế liệu. Ước tính từ Viện Nhôm Quốc tế cho thấy hơn 3 triệu tấn nhôm thu gom để tái chế hiện không được tái chế mỗi năm, đáng chú ý có 9 triệu tấn nhiên liệu không được thu gom hoặc xử lý.

Dù nguồn phế liệu này vẫn chỉ đáp ứng một phần nhỏ nhu cầu nhiệt công nghiệp, kế hoạch dài hạn của Found Energy là tạo ra một "vòng khép kín": Thu hồi nhôm hydroxit thoát ra từ lò phản ứng - Sử dụng điện sạch để chuyển đổi nó trở lại thành kim loại nhôm (sạc lại) - Cho nhôm phản ứng lại.

Theo ước tính của công ty, phương pháp vòng khép kín này có thể đáp ứng toàn bộ nhu cầu nhiệt công nghiệp toàn cầu bằng cách sử dụng khoảng 300 triệu tấn nhôm - chỉ khoảng 4% trữ lượng phong phú của Trái Đất.

Tuy nhiên, quá trình sạc lại nhôm hydroxit đòi hỏi một lượng năng lượng lớn. Nhà hóa học Jeffrey Rissman, chuyên gia khử cacbon công nghiệp tại Energy Innovation, nhận xét: “Nếu thực hiện quy trình như vậy, [nhiên liệu nhôm] là một công nghệ lưu trữ năng lượng, chứ không hẳn là một công nghệ cung cấp năng lượng."

Cũng như pin nhiệt hoặc hydro xanh, công nghệ này chỉ hợp lý nếu nhiên liệu có thể được sạc lại bằng điện sạch, giá rẻ. Điều này đặt ra thách thức lớn trong bối cảnh cuộc chạy đua tìm kiếm năng lượng sạch đang ngày càng gay gắt.

Bất chấp những rào cản này, Godart vẫn tin tưởng vào công nghệ của mình. Ông tiết lộ rằng động cơ hiện tại có thể sản sinh nhiều năng lượng hơn dự kiến: "Chúng tôi thực sự tin rằng nó có thể đạt được nửa megawatt. Chúng tôi vẫn chưa đạt được công suất tối đa”.
Tham khảo MIT Technology Review