Buzz
Liệu chúng ta đang thấy tương lai của ngành hàng không đây không?
Dựa trên bài báo của nhà vật lý học Chris Lee, đăng trên Arstechnica.
Tôi thường đọc các báo cáo khoa học về động cơ tên lửa thay thế động cơ đốt, với mức độ hoài nghi nhất định. Nhưng cuối cùng, một nghiên cứu về động cơ đẩy vi sóng đã xuất hiện không đặt trọng điểm vào những khái niệm vật lý không thể. Thay vào đó, nó áp dụng công nghệ động cơ đẩy plasma truyền thống.
Động cơ đẩy plasma thường được coi là phương tiện vận hành tàu vũ trụ trong tương lai, nhưng giờ đã xuất hiện một thiết bị được thiết kế để hoạt động trong môi trường khí quyển. Theo các nhà nghiên cứu, động cơ đẩy plasma không khí này có khả năng tạo ra lực đẩy tương đương với các động cơ phản lực truyền thống.
Không khí có thể cháy?
Nói một cách đơn giản, động cơ phản lực chỉ là một dạng động cơ đốt trong: nén mạnh hỗn hợp nhiên liệu và không khí lại với nhau. Sự kích hoạt của lửa sẽ làm cháy hỗn hợp khí gas (với hầu hết là nitơ, một khí không cháy), làm cho khí nở ra với tốc độ kinh hoàng. Sự gia tăng thể tích của khí gas sẽ tạo ra áp lực, tạo ra lực đẩy hoặc cung cấp lực đẩy trực tiếp.
Tuy nhiên, điểm quan trọng là cần tăng nhiệt độ của khí gas lên nhanh và cao để nó có thể nở ra với tốc độ cần thiết. Nhiên liệu cho động cơ phản lực chỉ là nguồn năng lượng tạo ra nhiệt để làm nóng khí gas.
Công nghệ của động cơ hơi nước cũng dựa trên cùng một khái niệm, và cả turbine hơi nước hiện đại cũng vậy. Điểm quan trọng vẫn là chuyển toàn bộ năng lượng vào khí gas để chúng có thể nở ra nhanh chóng. Tuy nhiên, động cơ hơi nước là động cơ đốt ngoài, trong đó nước được làm nóng trước khi chảy vào hệ thống.
Trong báo cáo nghiên cứu mới, nhóm các nhà khoa học mô tả một loại động cơ đốt plasma trong/ngoài. Ý tưởng cơ bản là đây: ion hóa không khí để có được plasma, nó nóng lên và nở ra nhanh chóng, tạo ra lực đẩy.
Để làm điều này, các nhà nghiên cứu sử dụng một magnetron để tạo ra vi sóng công suất lớn (khoảng 1kW). Vi sóng đi dọc một ống dẫn sóng (một ống kim loại hình vuông) hẹp dần và sau đó lại mở ra. Các nhà nghiên cứu đặt một ống quartz vào lỗ trống ở phần hẹp của ống dẫn sóng. Không khí được ép qua ống quartz, đi qua phần hẹp của ống dẫn sóng và thoát ra ở đầu kia của ống quartz.
Tại đầu vào của ống quartz, không khí đi qua các điện cực, khiến electron trong một số nguyên tử (chủ yếu là nitro và oxy) văng ra, tạo ra plasma có nhiệt độ và áp suất thấp. Sau đó, áp suất không khí từ điểm vào của ống quartz đẩy plasma vào ống dẫn sóng.
Trong ống dẫn sóng, các hạt mang điện bên trong plasma bắt đầu dao động, tương tác với trường vi sóng và đồng thời nóng lên nhanh chóng. Các ion, nguyên tử và electron liên tục va chạm, truyền năng lượng từ ion và electron tới các nguyên tử trung tính, làm tăng nhiệt độ của plasma nhanh chóng.
Kết quả: các nhà nghiên cứu tuyên bố plasma đạt tới nhiệt độ 1.000 độ C.
Và xuất hiện lực đẩy
Plasma nóng tạo thành một ngọn lửa giống như đèn khò khó; khí gas nóng thoát ra khỏi ống dẫn sóng và tạo ra lực đẩy. Đo lực đẩy của khí gas (cũng là lực đẩy) rất khó khăn; hầu hết các cảm biến áp suất và phong vũ biểu không ưa thích nhiệt độ cao tỏa ra từ plasma một chút nào.
Cách các nhà nghiên cứu đo lực đẩy.
Khó khăn buộc các nhà nghiên cứu phải sáng tạo. Họ đóng kín ống quartz bằng một khối cầu thép rỗng có một lỗ nhỏ trên bề mặt chứa một viên bi thép. Nếu lực đẩy plasma đủ lớn, nó sẽ khiến khối cầu rung lên trên đầu ống quartz. Khi khối cầu đủ nặng, nó sẽ yên ổn trên đầu ống. Các nhà nghiên cứu ước tính tổng lực đẩy tạo ra bởi khí gas bằng cách cân bằng nó với lực hấp dẫn tác động lên khối cầu.
Cuối cùng, đội nghiên cứu đo được lực đẩy khoảng 28N/kW, tương đương với động cơ turbine phản lực cánh quạt (tôi ước tính được lực đẩy của động cơ hiện đại vào khoảng 15N/kW).
Câu hỏi đặt ra: quy mô hệ thống có thể lớn đến đâu. Với dòng không khí ổn định (khoảng 1m3/h) và công suất vi sóng (khoảng 1kW) như trong thử nghiệm, quy mô khá là ổn định. Tuy nhiên, dòng không khí trong hệ thống thấp hơn động cơ kích cỡ tiêu chuẩn khoảng 15.000 lần, lực đẩy cũng phải tăng quy mô lên khoảng 4 lần (tức là công suất cũng phải tăng theo).
Tôi cũng tin rằng các nhà nghiên cứu đã đưa ra những dấu hiệu cảnh báo trong báo cáo khoa học này, mà nếu đọc kỹ sẽ thấy có vài dữ liệu còn thiếu. Ví dụ, với công suất vi sóng cao nhất, chỉ thấy tỷ lệ dòng không khí chảy thấp mới được đo, trong khi công suất vi sóng ở mức thấp, nhóm nghiên cứu đã đo mọi tỷ lệ dòng không khí. Tôi nghĩ rằng plasma không ổn định ở trạng thái dòng chảy mạnh và công suất lớn.
Có thể bạn nghĩ rằng công nghệ này sẽ giảm trọng lượng của động cơ, nhưng tôi không chắc về điều đó. Nếu động cơ đẩy plasma trở thành một phần của hệ thống động cơ turbine phản lực cánh quạt, tôi nghĩ nó có thể làm cho hệ thống động cơ trở nên nặng hơn nữa.
Dù như thế nào, đây vẫn là một công trình nghiên cứu rất thú vị, và tôi hy vọng nó sẽ trở thành hiện thực.
