1/ NỀN MÓNG CỦA NGÀNH HÀNG KHÔNG 'KHÔNG CARBON'
Siêu nhẹ, nhanh, sạch và rẻ: Hơn một thế kỷ sau khi anh em nhà Wright (Mỹ) lái chiếc máy bay chạy bằng năng lượng đầu tiên trên thế giới, một loạt các 'đại gia' thế giới hy vọng sẽ cách mạng hóa ngành hàng không với những chiếc máy bay điện đặc biệt nhất lịch sử!
Hàng không đã thay đổi hoàn toàn thế giới của chúng ta. Nó phục vụ nhu cầu vận chuyển, vận chuyển hàng hóa của chúng ta và mang những vùng đất xa xôi lại gần hơn một chút. Nhưng đã đến lúc chính ngành hàng không phải thay đổi?
Khí thải do sử dụng nhiên liệu máy bay dự kiến sẽ tăng lên khi ngày càng có nhiều máy bay bay vào bầu trời. Một tương lai không có máy bay dường như là điều không tưởng, vì vậy chúng ta cần phải suy nghĩ lại về cách chúng bay. Điều này có thể mở ra làn sóng tiếp theo của ngành hàng không được thúc đẩy bởi năng lượng điện, National Geographic bình luận.
Khi ngành công nghiệp hàng không nói về việc giảm lượng khí thải carbon, tương lai của máy bay điện đã ở phía trước.
Forbes phân tích, đáng lẽ ra - các chuyến bay của các hãng hàng không trên toàn cầu dự kiến sẽ tăng gấp đôi trong 20 năm tới, trong khi đó, ngành công nghiệp này còn kém xa các hình thức vận tải khác trong việc chuyển đổi sang một tương lai không có carbon.
Susan Ying, quản lý cấp cao của công ty máy bay điện Ampaire (Mỹ), cho biết trong một bộ phim tài liệu của NOVA rằng: "Nếu xu hướng gia tăng các chuyến bay gấp đôi không được phanh lại thì ngành hàng không sẽ trở thành một trong những lĩnh vực phát thải khí nhà kính lớn nhất trong mọi ngành công nghiệp thế giới. Hàng không sẽ là con khủng long trong phát thải carbon nếu chúng ta không thay đổi ngay từ bây giờ".
*NOVA là loạt phim khoa học vào khung giờ vàng được xem nhiều nhất trên truyền hình Mỹ.
Động cơ điện và hybrid-điện đang nhanh chóng cách mạng hóa công nghệ di chuyển trong các ngành công nghiệp, từ ô tô đến hàng hải. Và ngành hàng không cũng không ngoại lệ, Airbus bình luận.
Tuy nhiên, cũng giống như mọi ngành công nghiệp khác, bước đầu bao giờ cũng khó khăn và nhiều thách thức. Song, đứng trước bối cảnh của cuộc khủng hoảng khí hậu/nóng lên toàn cầu, thì công nghiệp xanh là xu thế tất yếu, có khả năng 'lấy lòng' người dùng khắp thế giới.
Một bức ảnh được chụp vào ngày 10 tháng 11 năm 2015 cho thấy một chiếc máy bay điện hai chỗ ngồi Pipistrel Taurus Electro (của một công ty tại Slovenia) bay phía trên Ajdovscina, thuộc thung lũng Vipava, Slovenia. Ảnh: AFP via Getty Images.
Vậy đâu là khó khăn của ngành hàng không chạy bằng điện? Thế giới đã đến được đâu, làm được gì? Và các 'ông lớn' nào tuyên bố sẽ dẫn đầu công nghệ pin sạch?
Đối với máy bay phản lực jumbo, tương lai của chuyến bay chạy hoàn toàn bằng điện sẽ đến trong một vài thập kỷ nữa.
Nếu một máy bay phản lực jumbo sử dụng pin ngày nay, người ta sẽ phải cung cấp 600 tấn pin để tạo ra sức mạnh của động cơ phản lực mà nó sẽ thay thế. Trọng lượng này (600 tấn pin) thực sự sẽ cần thêm 8 máy bay phản lực chỉ để mang trọng lượng đó - Và đó là vấn đề!
Có thể hiểu, việc khắc phục những hạn chế này của công nghệ pin đang là trọng tâm lớn cho sự phát triển máy bay điện ngay bây giờ. Một là tinh gọn pin điện - Hai là tìm năng lượng thay thế nhiên liệu phát thải CO2 của máy bay hiện tại. Hãy xem, các quốc gia và công ty trên thế giới đã và sẽ làm gì!
2/ CHIẾN DỊCH 'LÀM SẠCH BẦU TRỜI' ĐỘC NHẤT VÔ NHỊ
Trong vòng một thập kỷ qua, cả các công ty tư nhân và chính phủ trên khắp thế giới đã và đang bắt đầu với chiến dịch "làm sạch bầu trời" [sử dụng máy bay không phát thải carbon] chưa từng có trong lịch sử:
Năm 2010, Tập đoàn hàng không vũ trụ đa quốc gia Airbus SE của châu Âu (doanh thu đạt gần 50 tỷ USD năm 2020) đã 'tung cú đấm thép' bằng cách bắt đầu hành trình điện khí hóa, phát triển chiếc máy bay nhào lộn 4 động cơ chạy hoàn toàn bằng điện đầu tiên trên thế giới, tên là CriCri. Tiếp theo đó, Airbus đã đạt được những tiến bộ đáng kể trong quá trình điện khí hóa chuyến bay.
Máy bay E-Fan chạy hoàn toàn bằng điện, hai cánh quạt của hãng đã vượt qua eo biển Manche thành công vào năm 2015. Chưa hết, chiếc E-Fan X - phiên bản kế thừa của E-Fan mạnh gấp 30 lần so với người tiền nhiệm, đã cung cấp những hiểu biết vô giá về động cơ hybrid-điện nối tiếp.
Chiếc E-Fan X của Airbus. Nguồn: Airbus
Năm 2010, Công ty Solar Impulse của Thụy Sĩ chế tạo thành công một chiếc máy bay điện có thể chạy bằng năng lượng Mặt Trời, rồi thể hiện sức mạnh của nó với chuyến bay kéo dài 26 giờ.
Những tiến bộ vẫn tiếp tục, vì nhiều công ty đã thể hiện sự quan tâm đến máy bay điện.
Năm 2017, Nhà sản xuất máy bay Pipistrel của Slovenia đã giới thiệu một trong những chiếc máy bay chạy hoàn toàn bằng điện đầu tiên - bao gồm cả hệ thống đẩy điện - đã được chứng nhận để sử dụng trong các trường dạy bay.
Năm 2019, Công ty hàng không thủy phi cơ Harbour Air của Canada đã thông báo hoàn thành chuyến bay thương mại chạy bằng điện đầu tiên trên thế giới. Chiếc máy bay điện (ePlane) của Harbour Air, chiếc DHC-2 de Havilland Beaver 6 hành khách, sử dụng hệ thống đẩy phóng đại 750 mã lực, đã bay khoảng nửa giờ trên sông Fraser của Canada.
Giữa tháng 9/2021, chiếc máy bay chạy hoàn toàn bằng điện đầu tiên của Rolls-Royce (Anh) đã hoàn thành chuyến bay đầu tiên, bay vút qua bầu trời Vương quốc Anh trong khoảng 15 phút. Theo Rolls-Royce, chiếc máy bay này - được mệnh danh là “Spirit of Innovation” [Linh hồn cải tiến] - sử dụng hệ thống truyền động điện 400 kilowatt “với bộ pin dày đặc nhất từng được lắp ráp cho một chiếc máy bay”. Rolls-Royce mong muốn chiếc máy bay điện này đạt tốc độ lên đến 483 km/giờ, CNBC thông tin.
NASA của Mỹ cũng đang tập trung vào việc cố gắng phát triển một chiếc máy bay chạy hoàn toàn bằng điện. Họ đã dành cả thập kỷ qua để nghiên cứu về pin điện cho máy bay và thiết kế cho một chiếc máy bay 2 chỗ ngồi, tên là X-57, như một cách để giúp phát triển công nghệ sạch cần thiết. X-57 được thiết kế để có tầm hoạt động khoảng 161 km với tốc độ bay 277 km/giờ. Máy bay điện X-57 của NASA hiện đang trong giai đoạn thử nghiệm.
Theo Brent Cobleigh, Giám đốc Dự án Trình diễn và Khả năng bay (FDC) của NASA cho biết, để đạt được khả năng cất cánh của máy bay điện sẽ cần khoảng 200 kilowatt pin - nguồn năng lượng này đủ để cung cấp cho hơn 100 ngôi nhà của Mỹ.
Bộ pin lithium-ion 385 kg cần thiết để cung cấp năng lượng cho máy bay điện cỡ nhỏ cần đảm bảo an toàn trong khi giảm thiểu trọng lượng pin. Điều này đã truyền cảm hứng cho các kỹ thuật hàn mới, bao bì nhẹ và một phương pháp thay thế để tách nhiệt từ bề mặt pin.
3/ THÁCH THỨC CỦA MÁY BAY ĐIỆN
Ngày 6/10/2021, Bloomberg trích dẫn nghiên cứu của MarketsandMarkets cho biết, tính đến hết năm 2021, thị trường máy bay điện trị giá 7,9 tỷ USD. Con số này tăng mạnh mẽ lên 27,7 tỷ USD vào năm 2030.
Các công ty lớn trên thị trường máy bay điện bao gồm Airbus SE (châu Âu), Elbit Systems Ltd. (Israel) và AeroVironment, Inc (Mỹ). Trong đó, thị trường Bắc Mỹ dự kiến sẽ đóng góp thị phần lớn nhất trong giai đoạn từ 2021 đến 2026.
Thông tin này cho thấy, máy bay điện đang là xu hướng thịnh hành, với các nguyên mẫu đang được phát triển ở mọi kích cỡ từ máy bay không người lái đến máy bay chở khách. Nhưng công nghệ này vẫn chưa phát triển mạnh vì một lý do: THIẾU PIN PHÙ HỢP.
Để một chiếc máy bay chở khách lớn có thể cất cánh, hành trình và hạ cánh cách xa hàng trăm km sẽ cần đến những viên pin nặng hàng nghìn kg — quá nặng để máy bay có thể lên không ngay từ đầu. Ngay cả đối với các máy bay tương đối nhỏ, chẳng hạn như máy bay huấn luyện hai chỗ ngồi, trọng lượng tuyệt đối của pin giới hạn tải trọng của máy bay, làm giảm phạm vi hoạt động của nó và do đó hạn chế nơi máy bay có thể bay.
Giảm trọng lượng pin sẽ là một lợi thế không chỉ đối với ngành hàng không mà còn đối với các loại xe điện khác, chẳng hạn như ô tô, xe tải, xe bus và tàu thuyền, tất cả chúng đều có hiệu suất trực tiếp gắn liền với tỷ lệ năng lượng trên trọng lượng của pin [Đối với các ứng dụng như vậy, loại pin được lựa chọn ngày nay là lithium ion. Nó đã đạt đến độ chín cách đây nhiều năm, với mỗi lần cải tiến gia tăng mới nhỏ hơn lần trước].
Do đó, hẳn nhiên đối với những chiếc máy bay lớn hơn, thách thức ngày càng lớn - nhà sản xuất hàng không Boeing đã ước tính rằng họ vẫn cần vài thập kỷ nữa mới có thể 'xuất xưởng' một chiếc máy bay cỡ 777 lên không trung sử dụng hoàn toàn bằng điện.
Theo Tiến sĩ Kaushik Rajashekara, Giáo sư kỹ thuật điện tại Đại học Houston (Mỹ), người chuyên về vận tải hàng không, thì công nghệ cải tiến đã thúc đẩy hiệu quả động cơ phản lực hiện đại khiến nó khó thay thế bằng phiên bản vận hành bằng pin.
Tiến sĩ Rajashekara cho biết thêm: "Động cơ phản lực hiện đại có mật độ công suất cao nhất so với bất kỳ loại máy nào - đây là lý do tại sao động cơ phản lực được sử dụng trong bất kỳ máy bay nào trên thế giới".
Để vẫn tối đa hóa lợi ích của những động cơ điện, một phương pháp tiếp cận theo 2 hướng để đưa điện vào hàng không đã xuất hiện: (1) Thực hiện các chuyến bay ngắn, và (2) các chuyến bay dành cho số lượng ít hành khách.
Hãng Boeing cho biết các máy bay khu vực chạy hoàn toàn bằng điện hoặc hybrid nhỏ hơn có thể ra mắt vào những năm 2030.
PHOTO-ILLUSTRATION: EDMON DE HARO / IEEE MAGAZINE
Boeing cũng đã phát hành một phương tiện bay chở khách chạy điện có thể tự động hoàn toàn, với tầm bay lên đến 80 km. Nó được thiết kế cho Uber Air. Uber cho biết, dịch vụ taxi bay có thể sẵn sàng vào năm 2023.
Đối với máy bay phản lực, ngành công nghiệp hiện đang tìm cách tích hợp nhiều điện hơn vào các chức năng nhất định của máy bay trong khi vẫn giữ nguyên thiết kế của động cơ chạy bằng nhiên liệu phản lực.
Một trong những ưu điểm của thiết kế là ngay cả những động cơ điện nhỏ vẫn rất mạnh, có nghĩa là một số động cơ có thể được đặt trên cánh của máy bay. Ví dụ, hệ thống điều khiển bay bằng điện đã thay thế hệ thống điều khiển bay cơ học trong một số máy bay - là các thành phần bên dưới bề mặt của máy bay cho phép nó bay.
Các công ty cũng đang nghiên cứu các cách để đưa thêm điện vào chính động cơ, thay thế hộp số dẫn động bơm thủy lực, bơm nhiên liệu và bơm dầu bằng các hệ thống điện.
Cuối cùng, máy bay phản lực có thể phát triển thành phương tiện lai, giống như ô tô - với cả động cơ phản lực và động cơ điện. Cả hai sẽ cung cấp lực đẩy cho máy bay.
Tiến sĩ Kaushik Rajashekara, Giáo sư kỹ thuật điện tại Đại học Houston (Mỹ) nói: "Nó giống như một chiếc Toyota Prius - bạn có một động cơ phản lực và một động cơ điện. Cả hai sẽ cung cấp động cơ cho máy bay."
Các nhà sản xuất hàng không hybrid-điện như Ampaire (Mỹ) nói rằng máy bay hybrid giúp cắt giảm chi phí hoạt động - một lợi ích khác do nhu cầu nhiên liệu giảm. Chi phí bảo trì cũng thấp hơn.
Hiện nay, bài toán lớn nhất cho các công ty công nghệ đó là hệ thống pin trên các chuyến bay dài hơn và máy bay to hơn. Điều này phụ thuộc vào những đột phá lớn trong công nghệ pin, bao gồm cả việc giảm trọng lượng pin cần thiết để cải thiện việc sử dụng thực tế của nó.
Bộ Năng lượng Mỹ hiện đang tài trợ cho một số dự án liên quan để cải tiến công nghệ cho máy bay hybrid, chẳng hạn như hệ thống năng lượng pin nhiên liệu nhẹ, động cơ và bộ truyền động mật độ công suất cao.
Các công ty tư nhân như Tesla cũng đang đầu tư mạnh vào máy bay điện, với hy vọng trở thành một ông lớn đi đầu trong ngành công nghiệp mới này. Tỷ phú Elon Musk tuyên bố rằng pin của công ty Tesla có thể đạt được mật độ năng lượng cần thiết cho máy bay điện vào năm 2023.
Công nghệ pin lithium-ion đang giúp ngành vận tải thế giới 'lột xác' một cách thân thiện với môi trường và thuận thời hơn!
Bài viết sử dụng nguồn: BLOOMBERG, FORBES, NATGEO, AIRBUS, CNBC, IEEE