Buzz
Công nghệ động cơ đốt trong đã là công nghệ vận tải hàng đầu trong nhiều thập kỷ, nhưng ngành công nghiệp này dường như đang chuẩn bị cho sự thay đổi. Cuộc cách mạng điện năng bắt đầu diễn ra chậm rãi nhưng đang tiến triển mạnh mẽ. Ô tô điện đã chiếm một phần đáng kể trên thị trường và thị phần này đang gia tăng. Trong năm ngoái, doanh số bán xe điện (bao gồm cả xe lai) đã tăng đến 55% trên toàn cầu, chiếm khoảng 13% tổng doanh số bán xe.
Tàu điện đã trở thành phổ biến từ lâu, và ngày nay, chúng ta có thể bắt gặp các phương tiện thủy chạy điện. Gần đây, Cục Hàng không Liên bang Mỹ (FAA) đã chấp thuận thử nghiệm chiếc ô tô bay chạy hoàn toàn bằng điện đầu tiên. Sự phổ biến của năng lượng pin trên mặt đất ngày càng tăng, và có vẻ như không thể tránh khỏi việc năng lượng điện sẽ được áp dụng vào các máy bay trong tương lai.
Thực tế, máy bay điện đã tồn tại, nhưng việc sử dụng chúng vẫn còn hạn chế. Có những thách thức đang ngăn cản các máy bay chở khách hoàn chỉnh chạy bằng pin điện, nhưng những rào cản này đang được vượt qua. Hiện nay, chỉ có một số ít người mới có cơ hội trải nghiệm các chuyến bay điện, nhưng không lâu nữa, chúng ta có thể trải nghiệm cảm giác bay với năng lượng từ pin, ít nhất là ở một vài thời điểm nào đó.Sự Cần Thiết và Không Thể Tránh Khỏi của Máy Bay ĐiệnGiao thông vận tải là một trong những nguyên nhân chính góp phần vào việc phát thải khí nhà kính (CO₂) và biến đổi khí hậu trên toàn cầu. Trong khi ô tô tạo ra lượng khí thải lớn nhất, thì máy bay lại chiếm trách nhiệm cho khoảng 3% lượng khí thải nhà kính trên toàn cầu mỗi năm. Thực tế, nếu chúng ta thực hiện nhiều chuyến bay hơn một hoặc hai lần mỗi năm, thì việc đi máy bay có lẽ là hoạt động tiêu tốn carbon nhất mà chúng ta thực hiện.
Các vệt khí thải màu trắng phồng lên từ động cơ của máy bay DC-8 của NASA. Các thiết bị trên một máy bay đằng sau đang đo hàm lượng hóa học của các vệt khí thải ở các khoảng cách khác nhau so với máy bay DC-8, sử dụng cả nhiên liệu phản lực JP8 tiêu chuẩn và hỗn hợp của JP8 và nhiên liệu sinh học từ thực vật. Ảnh: NASA.
Có khả năng phát thải từ hoạt động hàng không sẽ tăng lên. Viện Nghiên cứu Năng lượng và Môi trường (EESI) lưu ý rằng khả năng tiếp cận du lịch hàng không đã tăng lên đáng kể trong vài thập niên qua. Khi công nghệ tiếp tục được cải tiến và dân số toàn cầu tăng lên, chúng ta có thể thấy nhiều máy bay hơn trên bầu trời. Mở rộng khả năng tiếp cận này đã làm tăng nhanh phát thải từ việc bay trên không.Đạt được mức phát thải bằng không đồng nghĩa với loại bỏ hoàn toàn nhiên liệu đốt cháy (xăng dầu) và điều đó đồng nghĩa với việc sử dụng điện.Máy bay điện từ thế kỷ 19Phương tiện điện đã tồn tại từ rất sớm trong lịch sử, không chỉ là một phát minh hiện đại gần đây. Thực ra, chiếc máy bay điện đầu tiên đã được phát triển trước cả việc phát minh máy bay hàng không. Năm 1883, hai anh em Albert và Gaston Tissandier đã tạo ra một chiếc khí cầu chạy bằng đicromat trong cell pin kali. Máy bay của họ đã thành công trong việc cất cánh, bay và hạ cánh, mặc dù các cell pin nặng nề đã gặp phải những vấn đề về độ bền.
Mô hình của chiếc khí cầu (tỷ lệ 1:50) được thiết kế bởi anh em Albert và Gaston Tissandier, đó là chiếc khí cầu điện đầu tiên trong lịch sử. Dòng điện từ 24 cell pin kali bicromat cung cấp cho động cơ 1.5 mã lực của Siemens. Ảnh: Bảo tàng Khoa học.
Sau một năm, Charles Renard và Arthur Constantin Krebs đã lái phi công trên chiếc khí cầu của họ, La France, trong một số chuyến bay có người lái. Chuyến bay đầu tiên kéo dài gần năm dặm trong một vòng lặp hai mươi phút, trước khi hạ cánh ở điểm xuất phát. La France bao gồm một khí cầu dài 167 feet (51 mét) với một thuyền gondola treo dưới, chứa động cơ, pin và hành khách. Động cơ và pin có tổng trọng lượng 800 pound (363 kg) và được quay bằng một cánh quạt gỗ để di chuyển con tàu.
Bức tranh của một họa sĩ thế kỷ 19 về La France. Ảnh: Wikipedia.
Mặc dù những chuyến bay này đã chứng minh rằng máy bay điện là có thể thực hiện được, nhưng công nghệ vẫn cần được phát triển hơn nữa để đưa chúng ta bay trên không.Xu hướng phát triển máy bay điện đang tăng lênKhông chỉ có sự gia tăng về tổng số máy bay điện mà còn có sự tăng lên về số lượng các công ty hoạt động trong lĩnh vực hàng không chạy điện. Mặc dù lĩnh vực này đang trong quá trình phát triển, nhưng đã có sự tăng trưởng mạnh mẽ và ổn định trong những năm gần đây, đồng thời số lượng các dự án triển khai cũng ngày càng gia tăng.
Một mẫu máy bay tiết kiệm nhiên liệu của hãng Diamond Aircraft. Ảnh: Diamond Aircraft.Thách thức về mật độ năng lượngDù chúng ta cố gắng di chuyển ô tô, xe lửa, máy bay hay tàu vũ trụ, năng lượng luôn là yếu tố hạn chế. Việc đưa máy bay lên không trung và giữ nó ở đó tiêu tốn rất nhiều năng lượng, vì vậy các kỹ sư máy bay luôn nỗ lực làm cho máy bay tiết kiệm nhiên liệu hơn. Thách thức đặt ra là máy bay rất nặng, và còn phải tính đến trọng lượng của phi hành đoàn, hành khách, hành lý và nhiên liệu. Để làm cho các chuyến bay với giá cả phải chăng cho mọi người, chúng ta cần phải đưa nhiều năng lượng vào một không gian nhỏ. Nói cách khác, chúng ta cần mật độ năng lượng cao. Nguyên tắc này tương tự như yêu cầu của máy tính: hiệu suất cao và kích thước nhỏ gọn.
Mật độ năng lượng quyết định giá vé máy bay. Ảnh: Azo Cleantech.
Tìm ra mật độ năng lượng của nhiên liệu là khá đơn giản. Chúng ta chia lượng năng lượng trong nhiên liệu cho trọng lượng để có số watt-giờ trên mỗi kg. Một số loại pin tốt nhất có thể tạo ra hơn 700 watt giờ trên mỗi kg, nhưng vẫn xa lạc so với 12,000 watt giờ/kg của nhiên liệu máy bay phản lực.
Mặc dù bay bằng máy bay điện có thể thực hiện được nhưng chúng ta bị hạn chế bởi trọng lượng lớn của pin. Công nghệ hiện tại có thể đưa chúng ta bay lên không trung, nhưng cần những loại pin tốt hơn và nhẹ hơn để giữ chúng ta ở trên đó.Máy bay Solar Impulse 2Solar Impulse 2 được công nhận là một chiếc máy bay độc đáo, được tạo ra với mục đích rõ ràng. Nó được thiết kế bởi bác sĩ tâm lý Bertrand Piccard, người đã hoàn thành cuộc hành trình vòng quanh thế giới bằng khinh khí cầu vào năm 1999. Solar Impulse 2 là một bước tiến mới mạnh mẽ, sử dụng năng lượng mặt trời để duy trì Piccard trên không khi ông thực hiện hành trình quanh thế giới lần thứ hai.
Solar Impulse 2 đã thực hiện chuyến bay kéo dài 56 giờ qua Thái Bình Dương, bay qua Cầu Cổng Vàng ở San Francisco và hạ cánh xuống Mountain View, California vào tối thứ Bảy (23/4/2016). “Tôi đã qua cầu. Tôi đã chính thức đặt chân vào Mỹ, bạn có thể tưởng tượng đi qua Cầu Cổng Vàng trên một chiếc máy bay chạy bằng năng lượng mặt trời giống như những con tàu biển đã làm trong hàng thế kỷ trước không? Nhưng máy bay không gây tiếng ồn và không gây ô nhiễm”, ông Piccard chia sẻ cảm xúc của mình. Đây gần như là một cột mốc mang tính cách mạng như lúc anh em nhà Wright bay lên không trung, bởi chiếc máy bay nhỏ gọn, nhẹ nhàng nhưng lại thực hiện được hành trình vòng quanh thế giới. Sự khác biệt ở đây chính là nguồn năng lượng.The Guardian.
Các đặc điểm quan trọng của Solar Impulse 2. Ảnh: Vietnam Plus.
Sau nhiều chuyến bay thử nghiệm, Piccard cùng với phi công phụ André Borschberg đã bắt đầu hành trình vòng quanh thế giới bằng năng lượng mặt trời. Cuộc hành trình kết thúc vào ngày 26 tháng 7 năm 2016, khi cả hai hạ cánh tại Abu Dhabi sau 14 tháng bay bằng năng lượng mặt trời. Những chiếc máy bay như Solar Impulse 2 có thể không phải là tương lai của hàng không thương mại chạy điện, nhưng họ đã chứng minh điều đó hoàn toàn khả thi và đã thực hiện nó một cách xuất sắc.
Solar Impulse 2 bay qua Đại Giáo Đường Sheikh Zayed ở Abu Dhabi vào ngày 26/2/2015. Ảnh: Khaleej Times.Máy Bay Lai: Hướng Tiếp Cận Tiên TiếnVấn đề về phạm vi hoạt động của pin là một thách thức mà các phương tiện đường bộ đã đối mặt và vẫn đang phải đối mặt. Một giải pháp từ ban đầu của các nhà sản xuất là sử dụng công nghệ máy bay lai (hybrid). Ngày nay, xe điện lai không chỉ cải thiện phạm vi hoạt động của pin mà còn tích hợp sự tiện ích của động cơ đốt trong thông thường. Các nhà sản xuất máy bay cũng đang tiếp tục nghiên cứu và phát triển máy bay lai để tối ưu hóa sử dụng năng lượng và giảm thiểu tiêu thụ nhiên liệu.
Máy bay mới mang tên ES-30 là một máy bay điện khu vực có thể chở tới 30 hành khách, thay thế cho mẫu thiết kế trước đó của công ty, ES-19. ES-30 được trang bị động cơ điện chạy bằng pin, giúp máy bay hoạt động không thải ra khí và tiếng ồn thấp. Air Canada và Saab đã đầu tư mỗi bên 5 triệu USD vào Heart Aerospace. Ảnh: Heart Aerospace.
Cả Air Canada và United Airlines đã đặt mua máy bay điện lai từ Heart Aerospace, lần lượt là 30 và 100 chiếc. Dự kiến máy bay này có thể chở tối đa 30 hành khách và bay được 125 dặm (khoảng 200 km) chỉ với năng lượng từ pin. Khi kết hợp năng lượng pin và nhiên liệu lỏng, máy bay có thể bay xa hơn gấp đôi. Heart Aerospace dự định sẽ giao máy bay lai đầu tiên vào năm… 2028.
ES-30 có cabin sàn phẳng với ba chỗ ngồi thoải mái, bếp và nhà vệ sinh. Khoang hành lý và hàng hóa rộng lớn, cùng với ngăn xếp hành lý và ngăn đựng hành lý phía trên, mang lại sự linh hoạt cho các hãng hàng không. Máy bay sử dụng cấu hình năng lượng lai, bao gồm hai máy phát điện tua-bin chạy bằng nhiên liệu hàng không bền vững. Hệ thống năng lượng lai đảm bảo nguồn cung cấp năng lượng dự trữ mà không cần tăng kích thước pin, đồng thời có thể bổ sung năng lượng cho các chuyến bay dài hơn. Nhờ đó, máy bay có phạm vi hoạt động toàn bộ bằng điện là 200 km, mở rộng lên 400 km với 30 hành khách và có khả năng bay linh hoạt tới 800 km với 25 hành khách. Ảnh: Heart Aerospace.
NASA cũng đang tiến hành Dự án Electrified Powertrain Flight Demonstration để thúc đẩy máy bay lai. Chương trình này liên quan đến việc sửa đổi máy bay hiện có thành hệ thống đẩy máy bay điện khí hóa (EAP) thông qua sự hợp tác giữa NASA và các đối tác ngành. Mục tiêu là không chỉ trang bị thêm cho máy bay hiện đang hoạt động mà còn đẩy mạnh phát triển các hệ thống lai để cung cấp năng lượng cho thế hệ máy bay tương lai.Tiến bộ về PinHiện nay, có sự chênh lệch đáng kể giữa pin tiên tiến nhất và nhiên liệu lỏng thông thường. Mật độ năng lượng của nhiên liệu máy bay là 12,000 watt-giờ/kg, cao hơn gấp 17 lần so với pin tốt nhất hiện có. Điều này đồng nghĩa rằng để đạt được hiệu suất bay tương tự như máy bay truyền thống, pin sẽ cần phải mạnh mẽ hoặc nhẹ hơn rất nhiều.
Một hình ảnh minh họa về một máy bay điện của NASA sử dụng cấu trúc thân làm pin. Phương án này có thể giải quyết vấn đề về trọng lượng của pin trong máy bay bằng cách chuyển cấu trúc thân thành nguồn năng lượng. Các tiến bộ trong vật liệu và công nghệ nano làm cho giải pháp này trở thành khả thi. Ảnh: IB Times.
Pin lithium-ion là tiêu chuẩn cho các thiết bị có thể sạc lại, nhưng chúng có hạn chế về mặt mật độ năng lượng. Để tạo ra pin nhẹ hơn, có thể cần đến công nghệ pin hoàn toàn mới.
Pin lithium-air có tiềm năng cao do thay thế một số vật liệu bằng không khí, làm giảm trọng lượng tổng thể của pin. Tuy nhiên, chúng vẫn đối mặt với thách thức về dẫn điện và sạc lại. Nghiên cứu về pin này đang được tiến hành để tăng cường mật độ năng lượng. Alice - Chiếc Máy Bay Điện Vượt Bậc Đầu Tiên trên Thế GiớiAlice, sản phẩm của Eviation, không chỉ là chiếc máy bay điện đầu tiên trên thế giới mà còn là một trong những chiếc máy bay thương mại đầu tiên có khả năng chở hành khách. Dự kiến vào năm 2027, nếu đạt được mục tiêu, Alice sẽ chính thức ghi dấu ấn trong lịch sử hàng không.
Alice là một mẫu thử nghiệm của dự án máy bay chở khách hoàn chỉnh, có khả năng chở tối đa 2,500 pound, tương đương với chín hành khách và hành lý của họ. Được trang bị động cơ MagniX và hệ thống pin từ AVL, Alice có tốc độ bay tối đa khoảng 418.5 km/giờ. Ảnh: Tech Crunch.
Hãng hàng không Eviation thông báo rằng Alice có thể chở đến 9 hành khách và bay được lên đến 250 dặm trước khi cần sạc lại. Tuy nhiên, như mọi xe điện khác, phạm vi hoạt động thực tế trên không phụ thuộc vào nhiều yếu tố và có thể ngắn hơn so với 250 dặm tùy thuộc vào điều kiện bay. Với điều này, Alice được thiết kế để phục vụ các chuyến bay ngắn. Eviation đã thực hiện nhiều chuyến bay thử nghiệm thành công và đã nhận được nhiều đơn đặt hàng.
Động cơ MagniX của máy bay Alice. Ảnh: Tech Crunch.
Hãng hàng không Monte đã đặt hàng 30 máy bay ngay khi chúng ra mắt vào năm 2027. Công ty cho thuê không phát thải Solyu, có trụ sở tại Hàn Quốc, cũng đã đưa ra ý định mua 25 máy bay với tùy chọn tăng thêm 25 chiếc nữa. Nếu kế hoạch tiếp tục thuận lợi, chỉ trong vài năm tới, người ta có thể thuê hoặc mua vé để bay trên máy bay điện này từ các hãng hàng không trong khu vực.Các hãng hàng không lớn đều tham gia vào cuộc chơiUnited Airlines đã cam kết đạt mức trung hòa carbon vào năm 2050, một mục tiêu đầy thách thức trong ngành hàng không. Để đạt được điều này, họ đang đầu tư vào máy bay điện để thay thế cho phần đáng kể của đội bay hiện tại. Họ đã ký một thỏa thuận mua 200 máy bay điện 4 chỗ vào năm 2022 và dự kiến chúng sẽ bay vào năm 2030. Và họ không phải một mình trong cuộc đua này.
Chiếc eVTOL của hãng Eve Air Mobility sở hữu cánh quạt đặc biệt để bay thẳng đứng và bộ cánh cố định không cần bất kỳ bộ phận điều chỉnh nào trong quá trình bay. Ảnh: Eve Air.
Vào tháng 10 năm 2022, các quốc gia thành viên của Tổ chức Hàng không Dân dụng Quốc tế (ICAO) đã đồng ý đạt mục tiêu trung hòa lượng carbon vào năm 2050. Tuy nhiên, mục tiêu này tập trung vào việc giảm lượng khí thải thực tế thay vì mua tín chỉ carbon. Mặc dù không có nghĩa vụ ràng buộc trong thỏa thuận, nhưng một số quốc gia đã tiến hành các bước hướng tới mục tiêu này.
Ngoài United Airlines, Air Canada, American Airlines, Mesa Airlines và các hãng hàng không khác cũng đã đồng ý mua máy bay điện trong tương lai gần.Tương lai gần sẽ là “xe buýt bay” hơn là máy bay chở khách cỡ lớnMáy bay điện không còn là tương lai xa vời của ngành hàng không nữa, vì nó chính là hiện tại. Hiện nay đã có những chiếc máy bay điện đang hoạt động và số lượng của chúng càng nhiều hơn mỗi ngày. Ngay cả thế, có thể sẽ mất một thời gian trước khi chúng ta thực hiện chuyến bay chạy hoàn toàn bằng điện đầu tiên và khi thực hiện điều đó, chúng ta có thể sẽ ở trên một chuyến bay ngắn trong một máy bay nhỏ.
Minh họa hệ thống phân phối điện của chiếc ES-30, đây là hệ thống vận chuyển năng lượng được lưu trữ trong pin đến các hệ thống tiêu thụ năng lượng của máy bay, chẳng hạn như Hệ thống điều khiển chuyến bay và Hệ thống điện tử hàng không. Ảnh: Craneae.
Máy bay chở khách đường dài, chạy hoàn toàn bằng điện có thể sẽ trở nên chắc chắn và tất yếu sau một khoảng thời gian đủ dài, nhưng dựa trên xu hướng phát triển pin điện hiện tại, thì chúng sẽ không sớm hạ cánh xuống đường băng. Trong ngắn hạn, những hạn chế về pin có thể sẽ tiếp tục, buộc các hãng phải tập trung vào những máy bay nhỏ hơn và các chuyến đi ngắn hơn. Ở một số mảng của ngành công nghiệp vẫn đang phát triển này, điều này có nghĩa là tập trung vào máy bay điện rất nhỏ dành cho cá nhân, gia đình hoặc nhóm nhỏ. Chúng ta hãy nghĩ đến thứ gì đó gần giống một chiếc xe buýt bay hơn là một chiếc máy bay chở khách.
Có nhiều máy bay điện nhỏ trong số này được thiết kế để cất cánh và hạ cánh thẳng đứng, giống như một chiếc trực thăng, cho phép chúng có khả năng đón và trả khách ở dọc đường. Phẩm chất đó cũng mang lại cho chúng cái tên eVTOL, viết tắt của từ cất cánh và hạ cánh thẳng đứng chạy điện (electric vertical take-off and landing). Mặc dù các eVTOL nhỏ đạt được điểm cao về kích thước và trọng lượng nhưng chúng vẫn phải vượt qua một số rào cản pháp lý. Máy bay chở khách cỡ nhỏ có lợi ích từ cơ sở hạ tầng hiện có cùng với kích thước nhỏ của chúng. Nền móng khá ổn đó khiến chúng có nhiều khả năng được phổ biến đầu tiên, có thể là trong thập kỷ tới, và thập kỷ tiếp theo nũa là máy bay cỡ lớn bằnh những chiếc Boeing và Airbus hiện nay. Dù sao thì mục tiêu trung hòa carbon vẫn là đến năm 2050 chứ không phải 2030 hay 2040.
Tham khảo [1], [2], [3].
