Một chiếc máy bay chạy bằng năng lượng mặt trời muốn tiếp tục bay sau khi mặt trời lặn phải giải quyết bài toán đánh đổi nan giải: pin càng lớn thì càng tích trữ được nhiều năng lượng, nhưng trọng lượng tăng lên lại khiến máy bay tiêu thụ thêm điện để duy trì độ cao.
Một nghiên cứu mới do các nhà khoa học Mỹ dẫn đầu đã xác định ngưỡng hiệu suất pin có thể mở đường cho những máy bay không người lái hoạt động liên tục trong nhiều tuần, thậm chí nhiều tháng.
Theo phân tích của nhóm nghiên cứu, pin cần đạt mật độ năng lượng khoảng 500 Wh/kg – tức có thể lưu trữ 500 watt-giờ năng lượng trên mỗi kg trọng lượng – để tạo điều kiện cho các chuyến bay năng lượng mặt trời kéo dài tại những khu vực có điều kiện khí quyển phù hợp.
Những chiếc máy bay này được thiết kế để hoạt động ở tầng bình lưu, cách mặt đất khoảng 18 km (60.000 feet). Từ độ cao đó, chúng có thể thu thập dữ liệu phục vụ nghiên cứu khí hậu, theo dõi bão và giám sát cháy rừng.
Ban ngày, các tấm pin mặt trời cung cấp năng lượng cho máy bay hoạt động, đồng thời sạc pin để duy trì chuyến bay suốt đêm.
Bài toán nan giải: Pin càng nặng, máy bay càng tốn năng lượng
Craig Mascarenhas, người chủ trì nghiên cứu tại phòng thí nghiệm của nhà khoa học khí quyển Jim Anderson thuộc Đại học Harvard, mô tả đây là một thách thức kỹ thuật có tính chất vòng lặp.
“Đó là một mối quan hệ toán học luẩn quẩn: bạn cần tích trữ nhiều năng lượng hơn, nhưng pin lại trở nên nặng hơn. Khi đó, bạn cần nhiều năng lượng hơn để đẩy máy bay xuyên qua không khí và tạo đủ lực nâng”, ông giải thích.
Theo nhóm nghiên cứu, việc phát triển pin cho loại máy bay này cần ưu tiên mật độ năng lượng – chỉ số cho biết một khối lượng pin nhất định có thể lưu trữ bao nhiêu năng lượng.
Trong khi đó, mật độ công suất, tức khả năng cung cấp năng lượng nhanh đến mức nào, lại không phải yếu tố quan trọng hàng đầu.
Lý do là những chiếc máy bay này không cần công suất quá lớn để vận hành, nhưng phải mang đủ năng lượng dự trữ để tiếp tục bay suốt đêm, khi không còn ánh sáng mặt trời.
Mốc 500 Wh/kg: Gấp đôi pin xe điện thông thường
Ngưỡng hiệu suất mà nhóm nghiên cứu đề xuất là 500 Wh/kg, gần gấp đôi mức khoảng 250 Wh/kg thường được nhắc đến đối với pin xe điện thương mại.
Một số loại pin thử nghiệm và pin chuyên dụng hiện đã đạt mật độ năng lượng khoảng 400 Wh/kg. Điều này cho thấy mục tiêu 500 Wh/kg đang dần trở nên khả thi hơn, dù chi phí vẫn là rào cản lớn.
“Chúng ta gần đạt được mục tiêu rồi. Những loại pin này hiện vẫn rất đắt, nhưng giá đang giảm rất nhanh”, ông Mascarenhas nói.
Tuy nhiên, kết quả nghiên cứu mới chỉ xác định một mục tiêu kỹ thuật cần đạt được, chứ chưa tạo ra loại pin mới hay chứng minh máy bay có thể thực hiện chuyến bay kéo dài nhiều tháng. Khả năng duy trì hoạt động liên tục còn phụ thuộc vào điều kiện khí quyển tại từng khu vực.
Hai nhà nghiên cứu pin Venkatasubramanian Viswanathan và Shashank Sripad cũng tham gia đóng góp vào phân tích. Đồng tác giả bài báo còn có John Langford, doanh nhân trong lĩnh vực hàng không vũ trụ, người có các công ty từng chế tạo và thử nghiệm máy bay chạy bằng năng lượng mặt trời.
Theo dõi cháy rừng trong nhiều tháng từ tầng bình lưu
Giáo sư Jim Anderson đã nghiên cứu các ý tưởng về máy bay năng lượng mặt trời trong suốt 30 năm. Ông hiện dẫn dắt phần tham gia của Đại học Harvard trong dự án Hệ thống quan sát khí hậu trên không tầng bình lưu (SACOS).
Lợi thế lớn nhất mà công nghệ này có thể mang lại là khả năng quan sát liên tục trong thời gian dài.
Theo thông tin được cung cấp trong nghiên cứu, máy bay nghiên cứu ER-2 có phi công của Cơ quan Hàng không và Vũ trụ Mỹ (NASA) thường thực hiện các nhiệm vụ kéo dài 6-8 giờ. Chi phí mỗi giờ bay có thể lên tới hàng chục nghìn USD.
Trong tương lai, máy bay năng lượng mặt trời có thể liên tục quay lại quan sát cùng một khu vực trong nhiều tháng. Điều này không chỉ kéo dài thời gian thu thập dữ liệu mà còn có tiềm năng giảm nhu cầu nhân lực và chi phí vận hành.
Ông Anderson và ông Mascarenhas cũng đang định hướng các nghiên cứu nhằm hỗ trợ những mô hình học sâu và mô hình truyền bức xạ, phục vụ lập bản đồ cháy rừng và quan trắc môi trường.
“Tôi thực sự tâm huyết với việc giảm thiểu thiệt hại và sự tàn phá do cháy rừng trên khắp thế giới. Tôi cho rằng những năng lực mà dự án này có thể mở ra là điều hết sức đáng phấn khích”, ông Mascarenhas chia sẻ.
Các nhà nghiên cứu tại Trường Kỹ thuật và Khoa học Ứng dụng John A. Paulson thuộc Đại học Harvard, phối hợp với Đại học Michigan và các đối tác trong ngành, đã trình bày lộ trình phát triển công nghệ này trong một bài báo đăng trên tạp chí ACS Energy Letters.
TheoIE
