Đề thi Đánh giá tư duy tốc chiến Đại học Bách khoa năm 2023-2024 có đáp án (Đề 3)

5 năm sau Hiệp định khí hậu Paris, sự quan tâm của xã hội tập trung vào những tiến bộ khoa học thế giới, hướng tới một tương lai không carbon. Một phần quan trọng của mục tiêu này là chuyển đổi năng lượng từ nhiên liệu hóa thạch sang năng lượng tái tạo như mặt trời, nước, gió và sóng.
Trong các nguồn tái tạo, năng lượng mặt trời luôn được giới khoa học kỳ vọng cao nhất do là nguồn năng lượng dồi dào và đáng tin cậy nhất trên Trái Đất. Những thập kỷ gần đây, pin mặt trời trở nên rẻ, hiệu quả hơn và thân thiện môi trường.
Những các tế bào pin mặt trời hiện nay không trong suốt, ngăn cản việc sử dụng rộng rãi hơn và tích hợp vào những trang thiết bị thông dụng trong đời sống, những hạn chế này khiến pin mặt trời chỉ được lắp đặt trên mái nhà và triển khai ở những trang trại năng lượng mặt trời chiếm diện tích rộng hơn và xa khu dân cư.
Sẽ rất tuyệt vời nếu các tấm pin mặt trời thế hệ tiếp theo được tích hợp vào cửa sổ, kính tòa nhà hoặc trên màn hình điện thoại di động. Đó là tham vọng của GS Joondong Kim thuộc Khoa Điện Trường Đại học Quốc gia Incheon, Hàn Quốc. Ý tưởng về pin mặt trời trong suốt được nhiều nhà khoa học quan tâm, nhưng biến ý tưởng mới lạ này thành hiện thực là một phát minh mới có ý nghĩa quan trọng.
Những vật liệu khiến pin mặt trời không trong suốt là các lớp bán dẫn, có nhiệm vụ hấp thụ ánh sáng và chuyển thành dòng điện. GS Joondong Kim và các đồng nghiệp cùng nghiên cứu hai vật liệu bán dẫn tiềm năng, được các nhà nghiên cứu trước đó xác định về những đặc tính mong muốn để có thể trở thành vật liệu trong pin điện mặt trời.
Vật liệu đầu tiên được nghiên cứu là titanium dioxide (TiO2). Ngoài các tính năng điện học tuyệt vời, TiO2 còn là vật liệu thân thiện với môi trường và không độc hại. Vật liệu này hấp thụ ánh sáng UV (một phần của quang phổ ánh sáng không nhìn thấy bằng mắt thường) và cho phép hầu hết dải ánh sáng nhìn thấy được đi qua.
Vật liệu thứ hai được nghiên cứu là niken oxit (NiO), một chất bán dẫn khác có độ trong suốt quang học cao. Niken cũng là một trong những nguyên tố phong phú nhất trên Trái Đất. Oxit nikel có thể được sản xuất công nghiệp ở nhiệt độ thấp. Do đó NiO cũng là vật liệu tuyệt vời để chế tạo các tế bào quang điện thân thiện môi trường.
Tế bào năng lượng mặt trời do các nhà nghiên cứu chế tạo bao gồm một tấm thủy tinh nền và một điện cực oxit kim loại, phía trên được lắng đọng các lớp mỏng chất bán dẫn (đầu tiên là TiO2, sau đó là NiO) và lớp phủ cuối cùng là các dây nano bạc, hoạt động như một điện cực thứ hai tạo thành tế bào pin mặt trời.
Các nhà khoa học đã thực hiện một số thử nghiệm đánh giá khả năng hấp thụ và truyền ánh sáng, cũng như hiệu quả hoạt động của pin mặt trời trong suốt này. Những kết quả thu được rất đáng phấn khởi. Hiệu suất chuyển đổi năng lượng là 2,1%, mức tương đối cao trong điều kiện nó chỉ được thiết kế để hấp thụ một phần nhỏ quang phổ ánh sáng.
Tế bào quang điện cũng có độ phản hồi cao và hoạt động hiệu quả trong điều kiện ánh sáng yếu. Hơn 57% ánh sáng nhìn thấy được truyền qua các lớp tế bào, khiến tế bào quang điện trở lên trong suốt. Trong phần cuối cùng của thí nghiệm, các nhà khoa học đã kiểm tra khả năng hoạt động của tấm pin bằng cách sử dụng nó để cung cấp năng lượng cho một động cơ nhỏ.
GS Joondong Kim bình luận: “Mặc dù loại pin mặt trời sáng tạo này đang còn rất sơ khai, nhưng kết quả thử nghiệm cho thấy có thể cải tiến hơn nữa bằng cách tối ưu hóa những tính chất quang và điện của tế bào”.
Điểm đặc biệt quan trọng, các nhà khoa học Hàn Quốc chứng minh được tính thực tiễn của pin mặt trời trong suốt và có khả năng cải thiện hơn nữa hiệu quả hoạt động của sản phẩm trong tương lai gần.

Đôi khi những sự việc tưởng chừng đơn giản nhất lại khó giải thích nhất. Cách những con chim giữ thăng bằng cơ thể khi ngủ trên cây là một trong những bí ẩn như vậy.
Thời gian ngủ của chim ngắn hơn con người rất nhiều. Chu kỳ ngủ của chúng khi so sánh với con người và các loài động vật có vú nhìn chung cũng ngắn hơn. Giấc ngủ REM (Rapid Eye Movement – giấc ngủ chuyển động mắt nhanh), một phần của chu kỳ ngủ khi cơ thể rơi vào trạng thái ngủ sâu nhất (và cả khi mơ), thường kéo dài vài phút ở động vật có vú; trong khi đó, chỉ tầm 10 giây ở loài chim. Giấc ngủ của chim, về cơ bản, là những lần chợp mắt trong vài khoảnh khắc.
Chim cũng có thể tự điều chỉnh cường độ ngủ. Chúng có thể giữ cho một bên bán cầu não tỉnh táo ngay trong khi ngủ, khi đó, một bên mắt của chúng sẽ mở. Mắt chim liên kết bất đối xứng với bán cầu não, tức là, nếu mắt trái mở thì bán cầu não phải thức, và ngược lại. Kiểu ngủ nhẹ nhàng, linh hoạt này cho phép những con chim nhanh chóng trốn khỏi những kẻ săn mồi, ngay cả khi chúng đang say giấc.
Hơn nữa, không phải tất cả những con chim đều ngủ trên các cành cây. Ví dụ như đà điểu, loài chim lớn nhất hành tinh. Hầu hết các loài chim không biết bay đều ngủ trên mặt đất, ẩn giữa những tán lá, hoặc gần như “vùi đầu trong cát”. Một số loài khác thì ngủ đứng một chân ở các vùng nước nông như loài hồng hạc.
Để đi vào giấc ngủ, cơ thể chim phải trải qua một loạt các thay đổi sinh lý. Một trong số đó là thả lỏng cơ, xảy ra khi não giảm kiểm soát các chuyển động cơ, kèm theo một số thay đổi sinh lý khác. Đứng thăng bằng trên cây với các búi cơ thả lỏng không phải dễ dàng, những chú chim phải xoay sở bằng cách khóa chặt chân vào cành cây.
Ví dụ, khi một con chim hạ cong gối, móng của chúng cũng đồng thời tự động gập theo và bám chặt vào cành cây. Móng sẽ chỉ thả lỏng khi chân chúng duỗi thẳng. Cơ chế khóa chân được thực hiện nhờ vào các gân cơ gấp (flexor tendons – những mô kết nối cơ giúp chi uốn cong) ở chân chim. Khi khớp đùi trên (knee) và khớp ống chân (ankle) của chim gập vào, gân cơ gấp (flexor tendon) duỗi ra, từ đó, làm móng gập lại. Cơ chế khóa cũng xảy ra do lớp mô bao quanh gân cơ chân có bề mặt nhám gây ra ma sát giữa chân và vỏ cây giúp cố định chân vào một điểm. Đây gọi là “Cơ chế đậu tự động” – Automatic Perching Mechanism. Nó xuất hiện ở hầu hết các loài chim, cho phép chúng bám chặt vào cành cây vừa không mất sức lại vừa chắc chắn.
Không chỉ những giống chim có tư thế đậu thẳng, những loài ngủ treo như vẹt cũng được hưởng lợi không ít từ cơ chế này. Cơ chế khóa cũng hữu ích trong một số trường hợp khác. Ví dụ như những giống chim săn mồi, chúng có thể quặp chặt con mồi trong khi bay. Một số loài chim cũng nhờ đó leo trèo, bơi, lội nước hay treo mình dễ dàng.
Đã có hàng chục nghiên cứu tìm thấy cơ chế đậu tự động ở nhiều loài chim khác nhau. Tuy nhiên, một nghiên cứu xuất bản năm 2012 cho thấy chim sáo châu Âu (European Starling) khi ngủ lại không sử dụng cơ chế này. Các nhà khoa học quan sát được rằng chim sáo chỉ hơi cong đầu gối, không đủ để kích hoạt cơ chế khóa. Kết quả là, các ngón chân của chúng hầu như không cong và con chim giữ thăng bằng ở trung tâm miếng đệm bàn chân khi nó ngủ. Phát hiện này cho thấy rằng có nhiều cách để chim giữ thăng bằng trên cây khi ngủ hơn là chỉ đơn giản gắng sức bám chặt vào cành cây.
Các nhà nghiên cứu gặp nhiều thách thức khi tìm hiểu giấc ngủ của các loài chim. Đầu tiên phải kể đến số lượng loài lớn và sự khác nhau về cơ chế, đặc điểm sinh lý học và hành vi giữa các loài. Chu kỳ giấc ngủ cũng khác biệt rất lớn. Việc so sánh cách ngủ của đà điểu, với chim sẻ hay hồng hạc không có nhiều ý nghĩa. Ngay cả khi xem xét đến cơ chế đậu tự động, hình dáng chân chim cũng là một vấn đề. Chân của chúng cần phải thích ứng cho nhiều mục đích khác nhau, vì vậy, cách chúng đi đứng, chuyển động chân cũng có thể sẽ khác nhau.

Mỗi ngày, Hà Nội đang phải tìm cách xử lý hơn 2.500-3.000 tấn chất thải rắn xây dựng, trong khi Tp.HCM cũng khó khăn trong việc giải quyết trên 1.500 tấn rác thải xây dựng thu gom mỗi ngày. Theo Ngân hàng Thế giới, mỗi năm Việt Nam bị thiệt hại tới 5% GDP vì môi trường ô nhiễm, chủ yếu do chất thải ngày một nhiều hơn nhưng không được thu gom, xử lý tốt, trong đó rác thải xây dựng chiếm từ 25-30%. Tuy nhiên, phần lớn các khu xử lý chất thải rắn hiện nay đều bị quá tải và chủ yếu sử dụng biện pháp chôn lấp. Đó là lý do khiến ngành xây dựng đang nghĩ đến cách tiếp cận mới: Tái chế chất thải xây dựng.
Một số chuyên gia đã đề xuất áp dụng các công nghệ nghiền tái chế được nhập khẩu từ nước ngoài, chẳng hạn như máy nghiền lắp đặt ngay tại chân công trình, cho phép nghiền tại chỗ các khối bê tông, vật liệu rắn thành các hạt nhỏ 3x4 cm và cát mịn mà không cần tập kết ra bãi phế liệu. Điều này giúp chủ đầu tư có khả năng tận dụng được 70-100% phế thải xây dựng. Những hạt thành phẩm này có thể dùng làm cấp phối san lấp nền đường, sản xuất gạch lát vỉa hè, đê chắn sóng, thậm chí có thể dùng để chế tạo bê tông tươi.
Một trong những ý tưởng mới được các nhà khoa học ở Viện Nghiên cứu Ứng dụng Công nghệ Xây dựng IAB Weimar, Đức tìm ra là tái chế những hạt nghiền này ở cấp độ cao hơn, biến chúng thành những hạt cốt liệu nung rỗng có khối lượng nhẹ, và nhiều tính năng vượt trội. Ý tưởng này đã tiếp tục phát triển và thực hiện thành công khi các nhà khoa học ở Trường Đại học Xây dựng sử dụng vật liệu phá dỡ phế thải xây dựng ở Việt Nam để tạo ra các hạt cốt liệu nung tương tự.
“Khi dùng hạt cốt liệu này để chế tạo ra những loại bê tông nhẹ cách âm cách nhiệt có khối lượng nhỏ hơn 30-60% so với gạch xây thông thường, ta có thể giảm chi phí đáng kể trong các công trình xây dựng do giảm được tải trọng tác dụng, qua đó giảm kích thước các kết cấu chịu lực và móng công trình” –Trưởng nhóm nghiên cứu PGS.TS. Nguyễn Hùng Phong, Trường Đại học Xây dựng, cho biết.
“Việc dùng phế thải xây dựng làm đầu vào để sản xuất hạt cốt liệu cũng giúp giảm gánh nặng chôn lấp phế thải và bảo vệ môi trường, đồng thời mở ra hướng nghiên cứu để chế tạo vật liệu bê tông mà không cần sử dụng, khai thác mới các nguồn tài nguyên tự nhiên như đá, cát, sỏi.” PGS.TS. Phong nói thêm.
Mặc dù công nghệ chế tạo các loại hạt cốt liệu nhẹ không quá mới mẻ, nhưng ở Việt Nam đây là một trong những nghiên cứu đầu tiên sử dụng công nghệ nung và sử dụng đầu vào là phế thải xây dựng. Để làm được điều đó, nhóm nghiên cứu đã tập hợp các chuyên gia từ nhiều lĩnh vực, bao gồm hóa silicat, vật liệu và kết cấu xây dựng.
Nhóm đã thu thập các loại vật liệu thô, phân loại và nghiền hỗn hợp đến độ mịn nhỏ hơn 100 km, cấp phối theo tỷ lệ nhất định, sau đó trộn với các phụ gia phồng nở; vê viên tạo hạt nhỏ dưới 10 mm, sau đó sấy khô và nung đến nhiệt độ khoảng 1200°C trong thời gian lý tưởng từ 6-9 phút. Kết quả tạo ra các hạt cốt liệu nhẹ có khối lượng thể tích nhỏ hơn 800 kg/m3.
“Do các hạt cốt liệu nhẹ chế tạo từ phế thải xây dựng nên chúng tôi không kì vọng chúng có khả năng chịu lực quá cao.” PGS.TS. Phong chia sẻ. “Bù lại, các hạt cốt liệu nhẹ có thể có nhiều ứng dụng khác nhau: các hạt loại chất lượng thấp có thể dùng làm đất trồng cây để giữ ẩm cùng các chất dinh dưỡng trong các lỗ rỗng của chúng, các hạt chất lượng tốt hơn có thể làm vật liệu cách âm cách nhiệt như gạch chống nóng, tấm vách ngăn; những hạt có cường độ tốt nhất có thể được sử dụng làm vật liệu chịu lực như tấm sàn bê tông nhẹ. Ngoài ra, các hạt này có thể làm vật liệu lọc trong ngành công nghiệp”.
Từ những hạt vật liệu này, họ đã chế tạo ra 2 loại thành phẩm – một dạng bê tông cách nhiệt có khối lượng thể tích 600-900 kg/m3, và một dạng bê tông nhẹ chịu lực có cường độ chịu nén từ 20-25 Mpa.
Về mặt công nghệ, mặc dù nắm được quy trình để tạo ra các hạt vật liệu nhẹ, nhưng các chuyên gia cũng thừa nhận rằng việc nung trên cơ sở lò quay vẫn là khâu thách thức nhất hiện nay. Đây là mấu chốt của cả dây chuyền sản xuất cho công suất lớn. Hiện công nghệ chế tạo lò vẫn chưa thể nội địa hóa mà phải nhập khẩu, do vậy chi phí vẫn còn cao. Hơn thế nữa, quy trình đòi hỏi nhiệt độ nung phải trên 1200°C – tức nhiệt lượng sử dụng khá lớn và có thể khiến tổng chi phí tăng lên. Một số ý kiến phản hồi cũng cho rằng công nghệ nung vẫn có thể tạo ra khí thải nên chưa đủ “xanh” cho môi trường.
Trước những vấn đề đó, nhóm nghiên cứu đã đề xuất một số hướng khắc phục, kết hợp với công nghệ môi trường – chẳng hạn tận dụng khí gas từ chất thải hữu cơ làm năng lượng đốt lò – để giảm thiểu tác động, hoặc tạo ra một quá trình sản xuất liên tục để giảm hao phí năng lượng và chi phí vận hành. Trong tương lai, họ cũng xem xét nghiên cứu thêm cách hạ thấp nhiệt độ nung để nâng cao hiệu quả kinh tế - kỹ thuật của sản phẩm hạt nhẹ này.