ĐGTD ĐH Bách khoa - Đọc hiểu chủ đề công nghệ - Đề 5

Sản xuất nhiên liệu từ quang hợp nhân tạo

(1) Nhân loại đang phải đối mặt với  vấn đề khủng hoảng năng lượng:  nhiên  liệu  hóa  thạch  đang  dần  cạn kiệt, những túi dầu trong lòng  đất đang vơi đi một cách không  kiểm soát, phát triển năng lượng  hạt nhân gặp phải những vấn đề  về  nguy  cơ  mất  an  toàn...  Cùng  với đó là phát thải khí nhà kính gia  tăng ở mức báo động, trở thành  mối  nguy  hại  lớn  và  hiểm  họa  khôn lường (gây ra hiện tượng ấm  lên  toàn  cầu,  khí  hậu  diễn  biến  không theo quy luật, những hiện  tượng thời tiết cực đoan gia tăng  mạnh mẽ...). An ninh năng lượng  và phát triển bền vững đang đặt  ra  thách  thức  chưa  từng  có  đối  với loài người. Những hệ lụy là vô  cùng lớn, quyết định sự tồn vong  của Trái đất.

(2) Từ năm 1970, thế giới đã chứng  kiến    sự tăng trưởng nhanh chóng  về nhu cầu năng lượng, trong đó  nguồn cung cấp chủ yếu là nhiên  liệu hóa thạch và sản xuất điện  tập  trung.  Nhưng  dự  kiến  bức  tranh về năng lượng tương lai  sẽ  rất khác. Hiện tại, cuộc chiến  về sản lượng trên thị trường dầu  mỏ  ở  Trung  Đông  đã  đẩy  giá  năng lượng đè nặng lên vai người  dân. Những ông lớn trong ngành  năng lượng đang sử dụng nguồn  cung năng lượng như vũ khí trong  cuộc chiến thương mại toàn cầu  khi sự phụ thuộc của các quốc gia  vào  dầu  mỏ,  khí  đốt  ngày  càng  trở nên bức thiết hơn bao giờ hết.  Nga, Mỹ, EU và những quốc gia  khác đang cố gắng tối đa sức ảnh  hưởng và tác động chính trị của  mình lên cán cân năng lượng toàn  cầu. Chính vì vậy, Ủy ban châu Âu  (EC) đã thúc đẩy sự hình thành  một  Liên  minh  năng  lượng  cho  sự phối hợp các chính sách năng  lượng bao gồm cả việc tiết kiệm  năng lượng và giảm khí thải CO 2 cho đến việc đa dạng hóa nguồn  cung an ninh năng lượng.

(3) Cùng  với  cuộc  chiến  năng  lượng,  một  vấn  đề  khác  đe  dọa  trực tiếp mối an nguy và phát triển  bền vững của nhân loại chính là  việc phát thải khí nhà kính đang  ngày  càng  gia  tăng  -  là  nguyên  nhân  chủ  yếu  của  hiện  tượng  ấm  lên  toàn  cầu.  Việc  sử  dụng  nhiên liệu hóa thạch đồng nghĩa  với việc tăng cường phát thải khí  nhà kính. Hiện tốc độ giải phóng  CO 2  tiếp tục tăng nhanh do các  hoạt động công nghiệp của con  người  và  cả  do  những  nguyên  nhân  của  ấm  lên  toàn  cầu  như  băng tan, khí nhà kính giải phóng  từ lòng đất... Một nghiên cứu của  Viện Hải dương học NOAA (Mỹ)  đã cho thấy, CO 2  trong khí quyển  tiếp  tục  tăng  nhanh  vào  năm  2019  với  mức  trung  bình  trong  tháng 5 đạt đỉnh 414,7 ppm, đây  là chỉ số cao nhất theo mùa được  ghi nhận trong 61 năm quan sát  trên đỉnh núi lửa lớn nhất Hawaii.  Giá  trị  đỉnh  năm  2019  cao  hơn  3,5 ppm so với đỉnh 411,2 ppm  vào tháng 5/2018, đánh dấu bước  nhảy hàng năm cao thứ hai trong  lịch sử.

(4) Những vấn đề nêu trên đã đặt  ra yêu cầu về chiến lược phát triển  bền vững trong tương lai là phải  đáp  ứng  được  mục  tiêu  lâu  dài  về năng lượng và khí hậu. Xuất  phát từ đó, nhằm biến thách thức  thành cơ hội, các nhà khoa học  khắp thế giới đang nỗ lực nghiên  cứu tạo ra các nguồn năng lượng  sạch và bền vững. Những nguồn  năng  lượng  này  phải  giải  quyết  được bài toán 2 trong 1, tức là vừa  tái  tạo  nguồn  năng  lượng,  vừa  giảm phát thải khí nhà kính. Bởi  vậy, mục tiêu lớn nhất mà các nhà  khoa học đặt ra là biến tài nguyên  CO 2  dư thừa trong khí quyển và  nguồn năng lượng mặt trời vô tận  thành nguồn nhiên liệu phục vụ  các hoạt động của cuộc sống.  

(5) Chuyển  đổi  quang  hóa  CO 2 thành  nhiên  liệu  được  các  nhà  khoa học kỳ vọng là giải pháp đột  phá để lưu trữ năng lượng mặt trời  dưới dạng các kiên kết hóa học.  Tuy  nhiên,  thách  thức  lớn  nhất  hiện  nay  mà  chúng  ta  chưa  thể  vượt qua đó là hydrocarbon có giá  trị năng lượng cao hiếm khi được  tạo ra theo phương pháp truyền  thống vì những thách thức động  học.  

(6) Thực  vật  sử  dụng  ánh  sáng  mặt trời để điều khiển các phản  ứng hóa học giữa nước và CO 2 .  Khi những tia nắng mặt trời chạm  vào lá cây sẽ kích thích các điện  tử  (electron)  trong chất diệp lục.  Những  điện  tử  bị  kích  thích  khi  nhận  được  năng  lượng  từ  ánh  sáng  mặt  trời  sẽ  thúc  đẩy  các  phản ứng hóa học biến đổi CO 2  và  nước thành glucose. Nhiều phát  minh mang tính ứng dụng rộng rãi  trong cuộc sống nhờ việc chúng  ta bắt chước tự nhiên. Không nằm  ngoài những phát hiện quan trọng  đó, các nhà khoa học đã học hỏi  chính  những  “người  thầy  thực  vật” để làm một công việc có ích.  Theo  đó,  trong  một  nghiên  cứu  mới công bố trên tạp chí  Nature ,  các nhà khoa học thuộc Đại học  Illinois  tại  Urbana-Champaign  (Mỹ) đã tạo ra bước đột phá trong  việc chuyển đổi CO 2  dư thừa trong  khí quyển thành các nguồn năng  lượng hữu ích cho cuộc sống.  

(7) Các nhà khoa học của Đại học  Illinois  tại  Urbana-Champaign  (Mỹ)  đã  sử  dụng  các  hạt  nano  vàng  (Au)  để  thay  thế  cho  chất  diệp lục - một sắc tố hoạt động  như một chất xúc tác trong quang  hợp tự nhiên, giúp thúc đẩy phản  ứng hóa học ở thực vật. Có thể  nói,  đây  là  một  bước  tiến  lớn,  hướng tới việc xây dựng một hệ  thống tái chế carbon, trong đó tận  dụng ánh sáng mặt trời để chuyển  đổi hiệu quả CO 2  và nước thành  nhiên liệu lỏng. Bằng cách tối ưu  hóa hệ thống thực hiện phản ứng,  giờ đây họ có thể điều khiển các  phản ứng hóa học hai electron để  tăng tính hiệu quả về mặt năng  lượng.

(8) Mục tiêu ở đây là sản xuất các  hydrocacbon  phức,  hóa  lỏng  từ  CO 2  dư  thừa  và  các  tài  nguyên  bền vững khác như ánh sáng mặt  trời. Nhiên liệu lỏng là lý tưởng vì  chúng dễ vận chuyển, an toàn và  tiết kiệm hơn so với khí đốt. Hơn  nữa,  chúng  được  tạo  ra  từ  các  phân tử chuỗi dài chứa nhiều liên  kết  hơn,  có  nghĩa  là  chúng  lưu  trữ năng lượng nhiều hơn. Nhóm  nghiên  cứu  của  Đại  học  Illinois  do GS P.K. Jain dẫn đầu đã phát  triển một quy trình nhân tạo, sử  dụng  cùng  một  phần  ánh  sáng  xanh lục của phổ ánh sáng  được  thực vật sử dụng trong quá trình  quang  hợp  tự  nhiên  để  chuyển  CO 2  và nước thành nhiên liệu, với  Sungju Yu (bên phải) và P.K. Jain - các tác giả của công trình. chất xúc tác là các hạt nano vàng  giàu điện tử.  

(9) Trong  quang  hợp,  thực  vật  chuyển  đổi  năng  lượng  từ  ánh  sáng mặt trời thành glucose bằng  cách sắp xếp lại các phân tử nước  và CO 2 . Quá trình mới bắt chước  khả năng tự nhiên này thông qua  các thao tác hóa học tạo ra nhiên  liệu lỏng mà không cần chất diệp  lục.  Nhưng  thay  vì  dựa  vào  các  sắc tố thực vật có khả năng phân  hủy sinh học để chuyển đổi năng  lượng ánh sáng thành năng lượng  hóa  học,  các  nhà  khoa  học  đã  tìm ra một phương pháp tốt hơn,  đó là phát triển quang hợp nhân  tạo, tạo ra các hydrocacbon năng  lượng  cao  bằng  cách  tận  dụng  các hạt nano vàng giàu electron  có kích thước 13-14 nanomet làm  chất xúc tác. Trong nghiên cứu,  các  nhà  khoa  học  đã  chọn  sử  dụng các chất xúc tác kim loại để  hấp thụ ánh sáng xanh và chuyển  các electron và proton cần thiết  cho các phản ứng hóa học giữa  CO 2  và nước. Các hạt nano vàng  hoạt  động  đặc  biệt  tốt  như  một  chất xúc tác vì bề mặt của chúng  tương tác thuận lợi với các phân  tử CO 2 , tăng hiệu quả hấp thụ ánh  sáng  và  không  bị  phá  vỡ  hoặc  biến chất như các kim loại khác.

(10) Nghiên  cứu  mới  này  đã  tạo  ra  bước  tiến  xa  hơn  khi  chuyển  CO 2  thành các phân tử nhiên liệu  hydrocarbon phức tạp (bao gồm  propan và metan) được tổng hợp  bằng cách kết hợp ánh sáng xanh  với các hạt nano vàng trong chất  lỏng ion. Ngoài propan và metan,  phương pháp này cũng cho phép  tạo  ra  ethylene,  acetylene  và  propene.  Đây  là  những  nguyên  liệu quan trọng mà một ngày nào  đó cho phép lưu trữ năng lượng  khả thi dùng trong pin nhiên liệu.

(11) Như  vậy,  bằng  cách  chuyển  đổi CO 2  thành các phân tử phức  tạp hơn như propan, công nghệ  năng lượng xanh hiện đã tiến một  bước gần hơn đến việc sử dụng  CO 2  dư thừa để lưu trữ năng lượng  mặt  trời  dưới  dạng  liên  kết  hóa  học.  Nguồn  năng  lượng  này  có  thể được sử dụng vào những lúc  không có ánh sáng mặt trời hoặc  vào  thời  điểm  nhu  cầu  sử  dụng  năng lượng cao nhất.

(12) Có thể nói, thành quả nghiên  cứu của các nhà khoa học thuộc  Đại học Illinois đã tạo ra bước đột  phá, mở ra triển vọng mới trong  việc  giải  quyết  bài  toán  khủng  hoảng  năng  lượng  và  an  ninh  môi trường. Tuy nhiên, theo đánh  giá của cộng đồng các nhà khoa  học trong lĩnh vực này thì còn rất  nhiều việc phải làm phía trước để  công nghệ này sẵn sàng được sử  dụng và nhân rộng, đáp ứng nhu  cầu cuộc sống.

(Nguồn: “Sản xuất nhiên liệu từ quang hợp nhân tạo”, Nguyễn Đức Minh, Tạp chí Khoa học & Công nghệ Việt Nam, số 10, năm 2019)

Đâu là nhận xét đúng về vấn đề năng lượng toàn cầu?

Theo văn bản, tổ chức nào đã thúc đẩy sự hình thành Liên  minh  năng  lượng?

Các nguồn năng lượng sạch và bền vững do các nhà khoa học nghiên cứu phải giải quyết vấn đề gì?

Theo văn bản, đâu là giải pháp đột phá để lưu trữ năng lượng mặt trời dưới dạng liên kết hóa học?

Những  điện  tử  bị  kích  thích  khi nhận  được  năng  lượng  từ  ánh sáng  mặt  trời  sẽ  thúc  đẩy  các phản ứng hóa học biến đổi CO2 và nước thành?

Các nhà khoa học của Đại học Illinois  tại  Urbana-Champaign (Mỹ)  đã  sử  dụng thứ gì để thúc đẩy phản ứng hóa học ở thực vật?

Theo nghiên cứu của văn bản trên, các nhà khoa học đã tạo ra các hydrocacbon năng lượng  cao  bằng  cách nào?

Trường Đại học nào đã được nhắc tới trong việc tạo ra thành quả nghiên cứu của văn bản trên?

Việc nghiên cứu sản xuất nhiên liệu từ quang hợp nhân tạo giải quyết bài toán về vấn đề gì?

1. Cơ khí chế tạo là một trong những ngành quan trọng nhất để một quốc gia công nghiệp hóa và hoàn thiện cuộc cách mạng công nghiệp lần thứ hai (điện khí hóa) và thứ ba (“máy tính và tự động hóa”). Nó cung cấp toàn bộ trang thiết bị cho các ngành 10 công nghiệp khác như chế biến nông sản, năng lượng, luyện kim, đóng tàu, xây dựng, thiết bị điện-điện tử, giao thông vận tải và bảo vệ quốc phòng an ninh.

2. Tuy nhiên các chuyên gia trong nước nhận định rằng ngành cơ khí chế tạo của Việt Nam mới chỉ dừng ở mức “làm gia công” và phần lớn chưa đủ khả năng tự chế tạo một số sản phẩm có sức cạnh tranh quốc tế mang lại giá trị cao. Đa số doanh nghiệp 1 cơ khí trong nước có quy mô nhỏ, trình độ kỹ thuật trung bình, thiếu máy móc hiện đại, chưa làm chủ được công nghệ lõi hoàn chỉnh trong lĩnh vực cơ khí. Do vậy, sản phẩm cơ khí Việt Nam mới đáp ứng được khoảng 32% nhu cầu cơ khí trong nước - SO với mục tiêu 45-50% đến năm 2020 và có rất ít thương hiệu có thể cạnh tranh trên thị trường.

3. Để có nhiều doanh nghiệp mạnh trong nước, Chủ tịch Hiệp hội doanh nghiệp cơ 15 khí Việt Nam KS Đào Phan Long đề nghị bên cạnh các cơ chế chính sách ưu đãi, Nhà nước cần “lựa chọn một số sản phẩm, phân ngành cơ khí mà Việt Nam có thế mạnh về thị trường và năng lực sản xuất để đầu tư phát triển”.

4. Nhưng làm sao để chọn được những sản phẩm chủ lực và công nghệ ưu tiên cho ngành cơ khí chế tạo? Câu trả lời có thể tìm thấy trong Bản đồ Công nghệ - một công cụ cho phép xác định vị thế cạnh tranh và năng lực công nghệ hiện tại, đồng thời có những thông tin về sản phẩm và thị trường để các đối tượng định hướng đầu tư R&D.

5. Nhận trách nhiệm này, từ 2017-2019, nhóm nghiên cứu của TS. Nguyễn Trường Phi, Giám đốc Trung tâm Thiết kế, chế tạo và thử nghiệm (SatiTech) đã triển khai xây dựng bản đồ công nghệ ngành cơ khí chế tạo ô tô và máy nông nghiệp. Đây là một 25 trong số những bản đồ đầu tiên được tạo ra trong khuôn khổ “Chương trình đổi mới công nghệ Quốc gia đến năm 2020”. Bản đồ được công bố và cập nhật thường xuyên tại địa chỉ: http://bandocongnghe.com.vn/.

6. Với bản đồ ngành cơ khí chế tạo, nhóm nghiên cứu đã kết hợp nhiều phương pháp, bao gồm tổng hợp cơ sở dữ liệu sẵn có, điều tra khảo sát doanh nghiệp, lấy ý kiến 30 chuyên gia và phân tích cơ sở dữ liệu sáng chế liên quan. Họ xây dựng bản đồ theo năm khía cạnh: thiết kế, gia công, xử lý bề mặt, lắp ráp và đo kiểm. Mỗi lĩnh vực công nghệ này sẽ có các lớp công nghệ từ lớp 1 đến 5, trong đó các lớp công nghệ sau là nhánh con của lớp công nghệ trước. Trên cơ sở đó, nhóm nghiên cứu xây dựng được tổng cộng 195 hồ sơ công nghệ cho ngành cơ khí chế tạo ô tô và 185 hồ sơ công nghệ 35 cho ngành cơ khí chế tạo máy nông nghiệp, sau đó sử dụng các biện pháp lượng hóa để so sánh trình độ công nghệ của Việt Nam với thế giới và minh họa thành các dạng biểu đồ.

7. Theo kết quả nghiên cứu, nhìn chung năng lực công nghệ của ngành cơ khí chế tạo ô tô và máy nông nghiệp của Việt Nam đang ở mức 60-75% so với thế giới, trong đó có những nhánh công nghệ đã dần tiệm cận (80-85%) mặt bằng chung của quốc tế.

8. Về cơ bản, các công nghệ thiết kế, gia công, xử lý bề mặt đáp ứng tốt khi làm việc với những chi tiết và cụm chi tiết có độ phức tạp ở mức trung bình-khá, tuy nhiên còn hạn chế khi xử lý cụm chi tiết phức tạp hoặc thiết kế tổng thể. Một số ít đơn vị có khả năng gia công các chi tiết có độ phức tạp cao và nội địa hóa hầu hết sản phẩm, đặc biệt là trong lĩnh vực máy nông nghiệp. Nhân lực Việt Nam có thể sử dụng được các phần mềm thông dụng và một số phần mềm chuyên dụng, nhưng việc thiếu các trang thiết bị và phần mềm bản quyền khiến không ít kỹ sư dù có năng lực giỏi cũng không thể nhanh chóng tích lũy kinh nghiệm và nâng cao kỹ năng.

9. Đối với công nghệ lắp ráp, các doanh nghiệp trong nước có khả năng làm rất tốt. Phần lớn việc lắp ráp vẫn dựa vào thủ công và ngang bằng với thế giới. Công nghệ lấp ráp trên dây chuyền, sử dụng robot và lắp ráp thông minh đã bắt đầu tiệm cận hơn với những nước phát triển, tuy nhiên do điều kiện tài chính và thị trường nên ít đơn vị ứng dụng chúng.

10. Tuy nhiên, đo kiểm đang là lĩnh vực yếu nhất trong ngành cơ khí. Hiện nay, các đơn 55 vị trong nước chỉ thực hiện đo kiểm chi tiết/cụm chi tiết chứ chưa có đơn vị đo kiểm sản phẩm đầu cuối, đặc biệt là trong lĩnh vực ô tô. Những tập đoàn lớn như Vinfast vẫn phải gửi sản phẩm hoàn thiện của mình ra nước ngoài để kiểm tra, đo đạc. 

(Theo Bộ Khoa học và Công nghệ, “Cơ khí chế tạo ô tô và máy nông nghiệp: Từ bản đồ công nghệ đến lộ trình 10 năm”, Cổng thông tin của 60 Văn phòng các chương trình Khoa học và Công nghệ Quốc gia, ngày 15/11/2020) 

Ý nào sau đây thể hiện rõ nhất nội dung chính của bài đọc trên?

Từ “nó” ở đoạn 1 được dùng để thay thế cho:

 Từ đoạn 1 có thể rút ra kết luận gì?

 “Nhà nước cần lựa chọn một số sản phẩm, phân ngành cơ khí mà Việt Nam có thế mạnh về thị trường và năng lực sản xuất để đầu tư phát triển”. Đây là ý kiến của ai?

 Ý nào dưới đây không phải là một khía cạnh của Bản đồ Công nghệ ngành cơ khí chế tạo?

 Từ đoạn 7, chúng ta có thể rút ra kết luận gì?, năng lực công nghệ chung của ngành cơ khí chế tạo ô tô và máy nông nghiệp của Việt Nam? 

 Nội dung chính của đoạn 9 là gì?

 Theo bài đọc, phân ngành phát triển nhất của công nghiệp cơ khí chế tạo Việt Nam là: