Ngành công nghiệp hàng không được dự báo sẽ đạt quy mô lớn gấp bảy lần hiện nay trước năm 2050 và cũng thải ra lượng khí nhà kính lớn gấp bốn lần hiện tại nếu như không có sự thay đổi nào đáng kể. Máy bay chạy điện được hy vọng sẽ là giải pháp.

Máy bay chạy điện

Một trong các chuyển đổi có tính sống còn để giảm phát thải khí nhà kính trong ngành hàng không là chuyển hoàn toàn sang dùng điện ở máy bay thương mại. Để làm được điều đó, trở ngại chính sẽ là mật độ năng lượng trong ắcquy - tức là mức năng lượng có thể tạo ra tính trên một đơn vị trọng lượng ắcquy.

CEO Elon Musk của hãng Tesla tuyên bố rằng mỗi kilôgram ắcquy sẽ có khả năng tạo ra khoảng 400Wh điện (khoảng 300Wh/kg). Với tỷ lệ ắcquy trên tổng trọng lượng vào khoảng 70-80%, chiếc máy bay vượt đại dương trong tương lai sẽ giống như một bình sạc điện khổng lồ.

2050: May bay = may tinh + binh sac dien biet bay - Anh 1

Một mẫu máy bay NASA đang nghiên cứu chế tạo. Ảnh:NASA

Một khía cạnh khác là sự sụt giảm theo cấp số nhân của giá điện mặt trời - vốn đã trở thành dạng năng lượng rẻ nhất tại hầu hết các bang của nước Mỹ. Mức kỳ vọng giảm 70% giá pin lithium cho đến trước năm 2025 và sự tăng vọt của giá nhiên liệu phản lực dựa trên kerosene đồng nghĩa với việc sẽ có chênh lệch giá vận hành máy bay theo hướng thúc đẩy điện hóa ngành hàng không.

Dùng nhiên liệu sinh học thời “quá độ”

Thời hạn sử dụng trung bình của máy bay chở khách là 21 năm, máy bay chở hàng là 33 năm. Nếu ngay từ bây giờ, tất cả máy bay mới đưa vào sử dụng đều chuyển sang chạy điện thì quá trình chuyển tiếp để bỏ hẳn nhiên liệu hóa thạch cũng cần 2-3 thập kỷ.

Trong bối cảnh đó, năng lượng sinh học sẽ giúp giảm 36-85% lượng phát thải cácbon tùy theo loại đất trồng cây nguyên liệu. Quá trình chuyển từ nhiên liệu này sang nhiên liệu khác tương đối đơn giản, nên việc cân nhắc sử dụng năng lượng sinh học là hoàn toàn hợp lý trong giai đoạn chuyển tiếp.

Tuy vậy, ngành hàng không không có vẻ mặn mà với sự thay đổi. Có một số trở ngại nhỏ về công nghệ và việc nâng quy mô sản xuất nhiên liệu sinh học lên cấp độ công nghiệp, nhưng cản trở lớn nhất vẫn là giá cả. Phải hàng chục năm nữa, nhiên liệu sinh học mới đạt hiệu quả chi phí bằng nhiên liệu hóa thạch.

Quá trình áp dụng công nghệ mới vào ngành hàng không - từ nghiên cứu đến thử nghiệm, tích hợp hoàn chỉnh vào máy bay - cũng dài hàng thập kỷ. Cứ cho rằng động cơ nổ sẽ bị loại bỏ hoàn toàn vào giữa thế kỷ 21 là thực tế và có lợi hơn về môi trường nếu chúng ta quan tâm cải tiến các lĩnh vực khác như nghiên cứu vật liệu, khung máy bay, điều hành bay.

Thay đổi trong quá trình chế tạo

Về năng lực tính toán, hiện mỗi giờ công nghệ máy tính lại phát triển thêm một bước - ước tính lớn hơn toàn bộ bước tiến có được trong vòng 90 năm đầu tiên sau khi nó ra đời. Như vậy có thể tin rằng đến trước năm 2023, một máy tính giá1.000USD hiện nay sẽ có năng lực tính toán lớn hơn khả năng của bộ não người và đến năm 2045 tương đương với bộ não của tổng số người trên Trái đất.

Quá trình giảm kích thước các thiết bị số trong nửa thế kỷ qua cũng dẫn đến xu hướng tương tự khi kích thước bóng bán dẫn đã giảm từ khoảng 1.000 nanomet vào năm 1970 xuống còn 23 nanomet hiện nay. Với sự ra đời của linh kiện bán dẫn bằng graphene, kích thước này được kỳ vọng giảm còn 7 nanomet vào năm 2025.

Với việc tăng công suất tính toán và giảm kích thước vật lý cũng như các tiến bộ trong công nghệ in 3D, trong thập kỷ tới có lẽ con người sẽ có khả năng chế tạo các máy tính tích hợp đủ mạnh để điều khiển được một chiếc máy bay nhưng chỉ nhỏ cỡ tế bào, hoạt động trong mạng lưới các thiết bị số siêu nhỏ kết nối không dây trong thời gian thực.

Sử dụng “hệ thần kinh” số hóa phỏng sinh học với các cảm biến được trải rộng trên máy bay, tiếp nhận thông tin về lực, nhiệt độ và tốc độ gió, chúng ta có thể sẽ cải thiện đáng kể hiệu suất sử dụng năng lượng trên máy bay. Cũng có thể kết hợp hệ thống này với các cơ chế phần cứng, phần mềm để điều chỉnh hoặc thay đổi hình dạng máy bay.

Đuôi máy bay và phỏng sinh học

Khi đã chế tạo được máy bay chạy điện, bước tiếp theo sẽ là tích hợp vào đó hệ thống đẩy dạng trục xoay vạn năng, có khả năng tạo lực đẩy theo phương bất kỳ. Hệ thống này không cần các cấu trúc nâng, điều khiển cánh lái, đuôi như hiện nay, qua đó làm giảm đáng kể khối lượng và lực cản.

Cánh máy bay hiện đã đạt hiệu suất tối ưu về khí động học, nhưng còn xa mới đạt hiệu quả của thiết kế tự nhiên ở các loài chim. Các thiết kế này đã có từ hàng thế kỷ, do đó chịu những hạn chế có tính lịch sử tại thời điểm chế tạo, trong khi công nghệ đã phát triển quá nhiều.

Chúng ta sẽ không cần chế tạo máy bay với cánh chắc chắn và hệ thống điều khiển rời rạc như hiện nay, mà có thể chuyển sang một số mô hình mô phỏng tự nhiên khác, chẳng hạn như một số thiết kế của Trung tâm Nghiên cứu bay Dryden của NASA.

L. Ngọc (Theo Iflscience)