Ứng dụng công nghệ để cải thiện khả năng tiếp cận nước ngọt

Khủng hoảng nước ngọt đang cận kề

Thế giới đang chứng kiến những hậu quả nặng nề do các hiện tượng thời tiết cực đoan gây ra bởi tình trạng biến đổi khí hậu ngày càng trầm trọng. Các hệ thống nước ngọt trên khắp thế giới đang ngày càng bị đe dọa bởi sự nóng lên toàn cầu khi nhiệt độ trung bình tiếp tục tăng và hạn hán trở nên khốc liệt hơn.

Theo Liên Hợp Quốc, hơn 1/4 dân số toàn cầu, tương đương 2,3 tỷ người, hiện đang sinh sống ở các quốc gia có nguy cơ thiếu nước. Đặc biệt, tại châu Phi, chỉ có 58% người dân có thể tiếp cận nguồn nước uống an toàn. Đến năm 2030, nhu cầu toàn cầu về nước sẽ vượt quá 40% nguồn cung bền vững hiện có.

Trong báo cáo đánh giá tình hình thực hiện các mục tiêu phát triển bền vững năm 2022, Liên Hợp Quốc đã chỉ ra những tác động của con người đối với các hệ thống nước ngọt: “hàng chục năm sử dụng sai mục đích, quản lý kém, khai thác nước ngầm quá mức và ô nhiễm nguồn cung cấp nước ngọt đã làm trầm trọng thêm tình trạng căng thẳng về nước và làm suy thoái các hệ sinh thái liên quan đến nước”.

Trong năm 2022, khủng hoảng thiếu nước ngọt xảy ra tại nhiều khu vực và quốc gia trên thế giới, từ Mỹ, châu Âu đến châu Á do phải hứng chịu nắng nóng hay mưa lũ kỷ lục. 47%, tức là gần một nửa diện tích châu Âu, bị đe dọa bởi đợt hạn hán tồi tệ nhất trong 5 thế kỷ qua. Trong khi đó tại Mỹ, hạn hán và mực nước trong các hồ chứa giảm thấp kỷ lục khiến chính quyền liên bang phải cắt giảm nguồn nước từ sông Colorado. Dòng sông này cung cấp nước cho khoảng 40 triệu người dân khu vực miền Tây nước Mỹ. Nguồn cung nước giảm là một đòn giáng mạnh vào ngành nông nghiệp các bang ở hạ lưu sông.

Nguồn tài nguyên nước bị cạn kiệt có thể là vấn đề cấp bách nhất đối với Trung Quốc hiện nay, nơi đang có hơn 1,4 tỷ dân với tốc độ công nghiệp hóa ngày càng tăng. Theo tổ chức nghiên cứu Ready for Climate, Trung Quốc chiếm 20% dân số thế giới nhưng chỉ có 7% nước ngọt. Toàn bộ các khu vực, đặc biệt là ở phía Bắc, rơi vào tình trạng khan hiếm nước tồi tệ.

Có đến hàng nghìn con sông đã biến mất, trong khi quá trình công nghiệp hóa và ô nhiễm môi trường đã hủy hoại phần lớn lượng nước còn lại. Theo ước tính, 80 - 90% nước ngầm và một nửa nước sông của Trung Quốc không thể làm nước uống vì quá ô nhiễm. Trong đó, hơn một nửa lượng nước ngầm và 1/4 lượng nước sông thậm chí không thể được sử dụng cho công nghiệp hoặc nông nghiệp.

Tương tự, Ấn Độ đang phải đối mặt với những thách thức từ cuộc khủng hoảng nước. Theo các số liệu chính thức, Ấn Độ chiếm khoảng 17% dân số thế giới nhưng chỉ chiếm 4% nguồn nước ngọt trên thế giới. Điều đó khiến Ấn Độ trở thành một trong những quốc gia chịu áp lực nặng nề nhất về nguồn nước trên hành tinh.

Tìm giải pháp phát triển bền vững ngành nước

Mặc dù nước bao phủ hơn 70% bề mặt trái đất, nhưng chỉ có khoảng 3% trong số đó là nước ngọt. Đến năm 2030, nhu cầu toàn cầu về nước ngọt sẽ vượt quá 40% nguồn cung bền vững hiện có.

Một số quốc gia, nhất là vùng Trung Đông đang dùng các nhà máy loại bỏ muối khỏi nước biển để đáp ứng nhu cầu nước ngọt của họ. Tuy nhiên đây là một quá trình rất tốn kém. Mặc khác, các nhà máy như vậy vẫn chủ yếu chạy bằng nhiên liệu hóa thạch, sử dụng nhiều năng lượng và quá trình này tạo ra một loại nước thải cực kỳ mặn có thể gây hại cho hệ sinh thái biển khi nó được bơm trở lại biển.

Đứng trước cuộc khủng hoảng thiếu nước ngọt, nhiều giải pháp công nghệ mới bền vững đã được đưa ra nhằm phần nào giải quyết các vấn đề về nước trên thế giới. Dưới đây là ba giải pháp công nghệ tiên tiến có thể tạo nên sự khác biệt.

Dùng ánh sáng mặt trời biến nước biển thành nước ngọt

Việc sử dụng ánh sáng mặt trời để làm sạch nước không có gì mới. Tuy nhiên, công ty khởi nghiệp Manhat có trụ sở tại Abu Dhab của Các Tiểu vương quốc Ả Rập Thống nhất, đang cập nhật công nghệ dùng năng lượng mặt trời để tách nước ngọt ra từ nước biển mặn đã có hàng thế kỷ trước, mà không tạo ra chất thải hoặc nước muối có hại. 

Cụ thể, Manhat phát triển một thiết bị nổi có thể chưng cất nước mà không cần điện. Nó bao gồm một cấu trúc nhà kính nổi trên bề mặt đại dương: Ánh sáng mặt trời làm nóng và làm bốc hơi nước bên dưới cấu trúc - tách nó khỏi các tinh thể muối bị bỏ lại dưới biển - và khi nhiệt độ nguội đi, nước ngưng tụ thành nước ngọt và được thu thập bên trong.

Đầu năm 2022, công nghệ được cấp bằng sáng chế của Manhat đã giành được giải thưởng Sáng tạo của nước châu Âu dành cho các doanh nghiệp vừa và nhỏ với các giải pháp đột phá trong lĩnh vực nước, được khen ngợi vì khả năng sản xuất nước ngọt với “không khí thải carbon và không thải nước muối”.

Công ty khởi nghiệp này có kế hoạch khai thác công nghệ của mình trong các trang trại nổi, nơi sẽ sử dụng các thiết bị khử muối để cung cấp nước ngọt tưới cho cây trồng mà không cần vận chuyển nước và phát thải liên quan.

Mặc dù công nghệ này vẫn còn lâu mới có thể tạo ra lượng nước ngọt lớn như các nhà máy khử muối tạo ra, nhưng nó có thể chứng tỏ giá trị đối với các cộng đồng ven biển, nơi không kết nối được với hệ thống cung cấp nước ngọt từ các nhà máy. Nguyên mẫu hiện tại của Manhat chỉ có thể sản xuất 1,5 lít nước ngọt mỗi ngày, theo CNN; mục tiêu đặt ra là sản xuất 20 lít/ngày.

TS. Saeed Alhassan Alkhazraji, người sáng lập công ty và là Phó Giáo sư tại Đại học Khalifa của Abu Dhabi cho biết: “"Chúng ta phải chấp nhận một thực tế rằng nước biển phải đóng vai trò quan trọng trong việc cung cấp nước ngọt. Nhưng chúng ta cần có một giải pháp giảm thiểu phát thải CO₂ và loại bỏ hoàn toàn nước muối trong quá trình xử lý".

Sử dụng Hydrogel để chiết xuất nước ngọt

Hydrogel từ lâu đã được sử dụng trong tã lót và các sản phẩm vệ sinh cá nhân khác để hút ẩm. Tuy nhiên, một nhóm các nhà nghiên cứu tại Đại học Texas đã phát triển một vật liệu hydrogel muối đặc biệt mà họ cho rằng có thể chiết xuất nước ngọt từ không khí trong điều kiện độ ẩm tương đối thấp, theo Phys.org.

Trong nghiên cứu mới, các nhà khoa học đã sử dụng một polymer làm từ những phân tử “zwitterionic” - chúng chứa các ion mang cả điện tích dương lẫn điện tích âm. Điều này cho phép polymer giữ các muối hút ẩm một cách chắc chắn hơn, từ đó tạo ra loại hydrogel hút nước từ không khí hiệu quả. Quy trình thu nước đòi hỏi một chu kỳ hấp thụ và tách chiết. Đầu tiên, nhóm nghiên cứu để vật liệu hút ẩm từ không khí xung quanh trong một tiếng. Sau đó, họ làm khô nó trong máy ngưng hơi nhằm thu lấy nước, rồi lại dùng để hấp thụ. Việc lặp lại chu kỳ này nhiều lần dường như không làm giảm khả năng hấp thụ hay tiết ra nước của vật liệu.

Trong các thử nghiệm, hydrogel muối hoạt động rất tốt. Nhóm chuyên gia có thể chiết xuất 5,87 lít nước ngọt trên một kg vật liệu mỗi ngày với không khí có độ ẩm 30%. Khi được cải tiến thêm, những hydrogel zwitterionic này sẽ rất hữu ích trong việc cung cấp nước uống cho các khu vực đang phát triển và chịu hạn hán.

Sử dụng công nghệ để kiểm soát sự phát triển của tảo

Sự phát triển ngày càng tăng của các loại tảo độc trong các hồ đang tước đi khả năng tiếp cận nước ngọt của hàng triệu người mỗi năm.

Công ty Hà Lan LG Sonic đã thành lập một tổ chức phi lợi nhuận có tên FutureProofLakes với sứ mệnh bảo tồn hệ sinh thái của các hồ trên thế giới. Nó đã phát triển các thiết bị diệt tảo ao hồ bằng sóng âm. Cụ thể, các thiết bị này phát ra sóng siêu âm công suất thấp ở lớp nước trên cùng, tạo ra một chu kỳ áp suất không đổi xung quanh các tế bào tảo. Điều này cản trở quy chế nổi của tảo, ngăn chúng tiếp cận với ánh sáng mặt trời và chất dinh dưỡng. Do đó, chúng không thể thực hiện quang hợp và chìm xuống đáy, nơi chúng phân hủy tự nhiên mà không giải phóng các chất độc có hại. Không có sinh vật, động vật hoặc con người dưới nước nào bị tổn hại trong quá trình này.

Dự án cũng sử dụng hình ảnh vệ tinh và các thuật toán để thu thập dữ liệu thời gian thực về chất lượng của các hồ trên khắp thế giới, xác định các hệ sinh thái bị ảnh hưởng trước khi tảo gây hại.

Theo Giám đốc điều hành LG Sonic, những mô hình dự đoán này cho phép các cộng đồng khắc phục nguồn nước của họ và sớm ngăn chặn sự phát triển của tảo. Điều này rất quan trọng ở các nước đang phát triển, vì không phải lúc nào cũng có sẵn các nguồn lực để theo dõi hoặc khắc phục. Do sự nóng lên toàn cầu, những khu vực này thường bị ảnh hưởng nặng nề./.