Động cơ Hybrid mới giúp ngành hàng không giảm lượng khí thải cacbon
Vào năm 1821, Michael Faraday sáng chế ra động cơ điện đầu tiên gồm một dây kim loại treo bên cạnh một nam châm trong bể thủy ngân lỏng. Khi nối pin vào, đầu dây trong nước xoay quanh nam châm một cách kỳ lạ. Tuy không tạo ra nhiều điện, động cơ sơ khai này đã minh chứng rằng điện năng có thể chuyển hóa sang cơ năng bằng cách cho dòng điện chạy qua một từ trường. Hai thế kỷ sau, động cơ điện trở nên phổ biến, được ứng dụng trong các thiết bị gia dụng, ô tô, tàu thủy và vô số thiết bị khác.
Giờ đây, các kỹ sư đang hướng đến mục tiêu cao hơn. Một nhóm nghiên cứu của GE Research đang thiết kế một động cơ đẩy chạy bằng điện có trọng lượng rất nhẹ nhưng lại cực kỳ mạnh mẽ, có thể nâng một chiếc máy bay thương mại nặng hơn 78.000kg và chứa 175 hành khách. Nghiên cứu này được Cơ quan Dự án Nghiên cứu Tiên tiến (ARPA-E) của Bộ Năng lượng Hoa Kỳ hỗ trợ 4,8 triệu đô la Mỹ theo chương trình tài trợ nghiên cứu mới. Narendra Joshi, kỹ sư trưởng bộ phận công nghệ động cơ đẩy tại GE Research cho hay: “Đây thực sự là một thử thách. Bạn phải vận dụng các kiến thức và kỹ năng trong nhiều lĩnh vực như công nghệ vật liệu, hóa học, điện hóa học, kỹ thuật điện và cơ khí. Ngoài ra, còn phải xây dựng động cơ đủ chắc chắn để có thể chịu được rung lắc và những va chạm khi hạ cánh”.
Nếu thành công, dự án này được đánh giá sẽ tạo ra một cuộc “cách mạng” cho nguyên liệu sạch ngành hàng không.
Nhiên liệu bền vững cho ngành hàng không: thách thức
Ngành hàng không đã đi một chặng đường dài trên con đường cải thiện hiệu suất nhiên liệu. Kể từ năm 1960, lượng nhiên liệu tiêu thụ tính trên đầu người đã giảm đến 80% nhờ ứng dụng động cơ hiện đại với vật liệu rắn chắc và nhẹ hơn. Trước đại dịch Covid – 19, tiết kiệm nhiên liệu cùng với giá vé rẻ đã thúc đẩy lượng hành khách tăng vọt lên đến hơn 1 tỉ trên toàn cầu. Điều này đã bù đắp cho chi phí cắt giảm phát thải carbon của ngành hàng không.
Các hãng hàng không và quân đội đã thử nghiệm và chứng minh tính khả thi của nhiên liệu sinh học. Tuy nhiên, chúng có thể đắt gấp đôi nguồn nhiên liệu khoáng mà chúng ta đang sử dụng và không thể đáp ứng được tính khả thi về mặt thương mại. Do đó, các kỹ sư ngành hàng không phải tìm kiếm một giải pháp khác. “Điều chúng ta đang cần hiện tại là những điều khác biệt hoàn toàn để đạt được bước nhảy vọt mới,” ông John Yagielski, kỹ sư cấp cao ở Trung tâm nghiên cứu toàn cầu của GE tại Niskayuna (New York) cho hay.
Trên thực tế, thách thức kỹ thuật đến từ hai phía. Đầu tiên là một phần của sáng kiến REEACH của ARPA-E (cho các thiết bị mở rộng sóng điện dành cho điện hàng không với lượng cacbon thấp và hiệu quả cao) tập trung vào việc đốt các nhiên liệu sinh học thành điện. Thứ hai, trong khuôn khổ của chương trình ASCEND (kết hợp làm mát động cơ điện và trình điều khiển tích hợp của các hạng bay), nhóm nghiên cứu của GE cần phải giải quyết câu chuyện biến năng lượng điện thành lực đẩy đủ để vận hành một chiếc máy bay phản lực hạng thương mại 737.
Nhẹ hơn, nhiều năng lượng hơn
Động cơ phản lực truyền thống thường đốt một lượng hỗn hợp của nhiên liệu và không khí để vận hành động cơ quạt lớn phía trước nhằm tạo lực đẩy khởi động và nâng cánh máy bay. Trong mẫu động cơ mới do nhóm nghiên cứu GE đề xuất, một động cơ điện sẽ quay cánh quạt để tạo lực đẩy. Năng lượng sẽ được tạo ra từ quá trình gồm hai bước, kết hợp các pin nhiên liệu oxit rắn và tuabin khí – cả hai đều được chạy bằng nhiên liệu có nguồn gốc từ thực vật và trung hòa cacbon. (Gọi là nhiên liệu mang tính trung hòa cacbon vì chúng được làm từ thực vật hấp thụ cacbon trong khí quyển. Khi cháy, các nhiên liệu này không tạo ra khí cacbon).
Được Cơ quan Dự án Nghiên cứu Tiên tiến (ARPA-E) của Bộ Năng lượng Hoa Kỳ hỗ trợ 4,8 triệu đô la Mỹ theo chương trình tài trợ nghiên cứu mới, một nhóm của GE Research đang thiết kế một động cơ đẩy chạy bằng điện đủ mạnh và nhẹ để nâng cánh chiếc máy bay thương mại nặng hơn 78.000kg và chứa 175 hành khách. Nguồn hình ảnh: Getty Images
Về lý thuyết, các pin nhiên liệu oxit sắt được trộn lẫn với nhiên liệu sinh học hóa khí và khí nén để tạo ra điện và nhiệt. Nguồn điện này sẽ làm quay cánh quạt động cơ. Nhiệt tỏa ra cùng tất cả nhiên liệu thừa sẽ giúp thực hiện quy trình tiếp theo. Tại đây, chúng hòa với nhiều nhiên liệu hơn để khởi động tuabin và làm quay một máy phát điện khác. Joshi giải thích: “Việc tái sử dụng các pin nhiên liệu oxit sắt giống như cơ chế của một nhà máy phát điện chu trình tổng hợp. Trong đó, nhiệt tỏa ra từ tuabin khí được dùng để chạy tuabin hơi nước”.
Vướng mắc lớn nhất trong lý thuyết này là làm thế nào để tạo ra một động cơ nhẹ hơn nhưng tạo ra nhiều năng lượng hơn. Yagielski nói: “Hiệu suất của hệ thống sẽ phải tốt hơn và nhẹ hơn đáng kể. Chúng tôi cần phát triển động cơ ở mức công suất đẩy của máy bay và giảm đi 8 lần trọng lượng vốn có của chúng”. Điều đó có nghĩa là phải vận dụng kỹ thuật trong các ngành khác nhau và nhóm đang nghiên cứu đồng thời 5 lĩnh vực công nghệ để biến lý thuyết này thành hiện thực.
Điểm ưu việt ở hệ thống mới này là các kỹ sư thiết kế máy bay không cần phải đặt những động cơ quá lớn dưới mỗi cánh máy bay, giúp họ có thể đưa ra các thiết kế mới tối ưu và hiệu quả hơn. Máy bay không người lái đã sử dụng từ sáu cánh quạt trở lên, tất cả năng lượng được cấp bằng dây từ nguồn trung tâm. Joshi cho biết: “Ý tưởng ở đây là sử dụng 10 đến 15 các động cơ công suất 2MW để điều khiển các quạt nhỏ nằm dọc theo cánh nhằm để tạo ra lực đẩy cần thiết”.
Các khoản tài trợ từ REEACH và ASCEND cho 17 thành viên của nhóm nghiên cứu trong 18 tháng chỉ là bước đầu của một hành trình dài. Yagielski cho biết: “Tất cả đều hướng tới mục đích minh chứng tính khả thi của kỹ thuật này cũng như thuyết phục ARPA-E đầu tư chế tạo và thử nghiệm một nguyên mẫu động cơ hoàn chỉnh, ứng dụng cho máy bay của những năm 2050”.