Thực vật vốn phụ thuộc vào quá trình quang hợp, trong đó chúng chuyển hóa CO2 thành năng lượng để sinh trưởng và phát triển. Tuy nhiên, một nghiên cứu mới đăng trên tạp chí Joule đã đưa ra một phương pháp thay thế hoàn toàn quá trình quang hợp, giúp cây trồng phát triển mà không cần ánh sáng mặt trời.
Nếu triển khai thành công, phương pháp này có thể tạo ra một cuộc cách mạng trong nông nghiệp, mở ra tiềm năng canh tác tại các khu vực đô thị, sa mạc hay thậm chí trong không gian.
Công nghệ đằng sau nông nghiệp điện
Công nghệ cốt lõi của phương pháp này là quá trình điện phân – công nghệ đã có từ thế kỷ 18, được sử dụng rộng rãi trong luyện kim, công nghiệp hóa chất và thậm chí là thẩm mỹ. Trong nghiên cứu mới, các nhà khoa học sử dụng điện phân để chuyển hóa CO2 thành các hợp chất hữu cơ mà thực vật có thể hấp thụ làm nguồn dinh dưỡng thay thế cho sản phẩm quang hợp.
Điện phân CO2 có thể tạo ra nhiều hợp chất như methanol, ethanol, ethylene, formate và acetate, nhưng không phải tất cả đều có thể được cây trồng hấp thụ. Trong đó, acetate và ethanol là hai hợp chất có tiềm năng cao nhất, nhưng quá trình sản xuất chúng chưa thực sự hiệu quả. Theo tác giả nghiên cứu Feng Jiao, trong phương pháp điện phân CO2 thông thường, acetate chỉ chiếm dưới 10% sản phẩm thu được.
Đột phá trong công nghệ điện phân
Để tăng hiệu suất, nhóm nghiên cứu đã phát triển một quy trình điện phân hai bước gọi là tandem electrolysis process. Trong đó, CO2 trước tiên được chuyển hóa thành CO (carbon monoxide), sau đó CO tiếp tục được xử lý để tạo thành acetate. Việc tách riêng hai bước này giúp cải thiện đáng kể hiệu suất vì CO không có tính axit như CO2, tạo điều kiện tối ưu cho phản ứng tạo acetate.
Kết quả là quy trình này đạt được hiệu suất chuyển hóa acetate lên gần 90%, cao hơn nhiều so với phương pháp trước đây. Lượng sản phẩm phụ còn lại chủ yếu là ethylene và hydro, nhưng đây đều là các hóa chất có thể tái sử dụng trong công nghiệp.
Điện năng – Yếu tố cốt lõi của nông nghiệp điện
Không giống như nông nghiệp truyền thống vốn dựa vào ánh sáng mặt trời, nông nghiệp điện cần một lượng điện đáng kể để duy trì quá trình điện phân. Nguồn cung cấp lý tưởng nhất là năng lượng tái tạo như điện mặt trời. Trên thực tế, nghiên cứu đề xuất các trang trại có thể được thiết kế theo mô hình nhiều tầng, với các tấm pin mặt trời trên mái cung cấp điện cho hệ thống điện phân.
Tuy nhiên, ngay cả với các giải pháp này, việc mở rộng nông nghiệp điện trên quy mô lớn vẫn đòi hỏi một lượng điện khổng lồ. Theo ước tính của nghiên cứu, để sản xuất đủ thực phẩm cho toàn bộ dân số Mỹ bằng phương pháp này, cần đến 19.600 TWh/năm – gấp gần 5 lần tổng nhu cầu điện của Mỹ vào năm 2023.
Hiệu suất cao hơn quang hợp
Mặc dù tiêu tốn điện năng, nghiên cứu cho thấy nông nghiệp điện có thể hiệu quả hơn quang hợp truyền thống. Khi so sánh khả năng chuyển hóa năng lượng mặt trời thành thực phẩm, phương pháp điện phân CO2 đạt hiệu suất cao hơn ít nhất 4 lần so với quang hợp tự nhiên.
Ngoài ra, nông nghiệp điện cũng có tiềm năng giảm thiểu tác động môi trường. Bằng cách kiểm soát môi trường canh tác, lượng phân bón có thể được tối ưu hóa để hạn chế lãng phí. Theo nghiên cứu, mô hình này có thể giảm đến 90% lượng phân bón bị rửa trôi ra môi trường so với phương thức canh tác truyền thống.
Vấn đề nguồn CO2
Một thách thức lớn khác của nông nghiệp điện là nguồn cung CO2. Trong tự nhiên, cây trồng hấp thụ CO2 trực tiếp từ không khí để quang hợp. Trong mô hình mới, lượng CO2 cần thiết sẽ phải được cung cấp từ các nguồn công nghiệp.
Nghiên cứu ước tính rằng nếu thu giữ toàn bộ 963 triệu tấn CO2 thải ra từ ngành công nghiệp Mỹ, thì có thể cung cấp đủ dinh dưỡng để nuôi sống 56% dân số nước này bằng nông nghiệp điện. Để mở rộng quy mô cho toàn bộ dân số, cần tới 1.719 triệu tấn CO2 – một con số khổng lồ khi so với tổng lượng phát thải ròng của Mỹ năm 2024 là 5.489 triệu tấn CO2.
Điều này đặt ra câu hỏi về tính khả thi của công nghệ thu giữ và lưu trữ carbon (CCS), bởi hiện nay trên thế giới chỉ có khoảng 50 dự án CCS đang hoạt động, với tổng công suất thu giữ chỉ đạt 51 triệu tấn CO2/năm.
Tương lai của nông nghiệp điện
Mặc dù nghiên cứu đề xuất một viễn cảnh nơi "một nửa diện tích đất Mỹ có thể được giải phóng để phục hồi hệ sinh thái", việc thay thế hoàn toàn nông nghiệp truyền thống bằng nông nghiệp điện vẫn là một mục tiêu xa vời.
Tuy nhiên, trong các điều kiện đặc biệt như đô thị, sa mạc hoặc không gian, nông nghiệp điện có thể là một giải pháp mang tính đột phá. Đáng chú ý, nghiên cứu cũng nhấn mạnh rằng khí quyển sao Hỏa chứa đến 95% CO2, điều này khiến công nghệ này trở thành một lựa chọn đầy hứa hẹn cho việc trồng trọt trong không gian.
Theo Jiao, trong vòng một thập kỷ tới, nông nghiệp điện có thể có những ứng dụng nhất định, nhưng vẫn cần thêm nhiều nghiên cứu và phát triển trước khi trở thành một giải pháp thương mại hóa hoàn chỉnh.
