Thiết kế pin độc đáo mở đường cho máy bay siêu thanh chạy điện ?

Luke Workman - một trong những nhà thiết kế pin Lithium hàng đầu thế giới cho biết anh có thể tối ưu các công nghệ pin hiện có và thiết kế layout pin mới trên máy bay để chúng hoạt động hiệu quả hơn và tiết kiệm hơn đối với những chặng bay dài. Anh hy vọng trong tương lai, những chiếc máy bay vận tải thương mại và đặc biệt là máy bay siêu thanh sẽ có thể hoạt động hoàn toàn bằng điện.

Nói đến điện và pin thì các công nghệ truyền động bằng điện thế hệ mới đã mở đường cho nhiều phát minh thú vị trong thế giới hàng không, chẳng hạn động cơ điện dành cho máy bay cỡ nhỏ, những chiếc máy bay chạy điện mặt trời, xe hơi bay v.v… Tuy nhiên, ứng dụng của các hệ thống truyền động điện và công nghệ pin Li-ion trên máy bay thương mại vẫn chưa thể hiện vai trò thay đổi cục diện của ngành công nghiêp hàng không giống như những gì con người đã làm được cách đây 40 năm với Concorde - chiếc máy bay mở đường cho loại hình vận tải thương mại siêu thanh.

Vấn đề không nằm ở mô-tơ bởi mô-tơ điện hoạt động cực kỳ hiệu quả trên không, đặc biệt là ở độ cao lớn với lực cản thấp, không khí mỏng có thể gây ra các vấn đề cho động cơ đốt trong. Vấn đề chính nằm ở pin, nó phải cung cấp đủ năng lượng và đủ nhẹ để mang lại tầm bay hữu ích. Vì vậy, Luke Workman cho rằng anh có giải pháp cho vấn đề này.

Luke Workman được gọi là "người đàn ông pin" và có thể nói là một quái nhân trong lĩnh vực thiết kế pin. Từ xe máy chạy điện đến máy bay cất hạ cánh thẳng đứng dùng rotor nghiêng (tilt-rotor) cũng như hàng tá ứng dụng khác, anh đã thiết kế ra nhiều loại pin Lithium mật độ năng lượng cao và bền hiện đang được thương mại hóa. Hiện tại với vai trò là một chuyên gia cố vấn làm việc tự do, Luke Workman được xem là một trong những nhà thiết kế pin Lithium giỏi nhất thế giới.

Trao đổi với Gizmag, Workman cho biết anh đã phát triển một thiết kế pin độc đáo có thể mở ra cánh cửa cho những chuyến bay đường dài ở vận tốc siêu thanh với tỉ lệ thương mại hóa, không phải drone nhỏ bé mà chính là những chiếc máy bay phản lực thương mại thật sự. Anh nói rằng không cần phải chờ những bước đột phá về công nghệ mà ngành công nghiệp xe hơi cũng như xe máy đang chờ đợi, sự cải tiến về công nghệ pin trên máy bay có thể được thực hiện với những thành phần hóa học hiện có trong pin.

Vậy cải tiến bằng cách nào? Workman cho biết những hệ thống pin hiện tại chứa nhiều thành phần hỗ trợ khiến nó nặng hơn. "Khoảng 35% trọng lượng của cell pin là lõi đồng, các tấm nhôm, thứ đóng vai trò đưa năng lượng vào ra cell pin," Workman nói. "Đây là phần vật liệu không hoạt hóa nhưng chiếm nhiều trọng lượng và điều này có nghĩa nếu lắp trên máy bay, chiếc máy bay sẽ phải mang theo chừng đó trọng lượng thừa."

Chẳng hạn như cell pin trên, nó có 2 phôi cực đóng vai trò kết nối dòng điện giữa mạch điện và pin. Cell pin có 20 lớp phôi nhôm làm cực dương và 20 lớp phôi đồng dành cho cực âm. Các lớp phôi này sẽ trải dài dọc theo chiều dài cell pin và nó cũng có độ dày bằng đúng 20 lớp kim loại vừa nêu để có thể cung cấp đủ dòng điện dẫn truyền ra 2 phôi cực. 2 phôi cực này có thể kết nối với các phôi cực trên cell pin khác để tạo ra một chuỗi cell pin.

Đây là một cách rất hiệu quả để đóng gói một thỏi pin gồm nhiều cell pin, phục vụ cho nhiều mục đích sử dụng. Trên thực tế, loại pin xếp lớp này sở hữu mật độ năng lượng cao hơn so với mọi loại pin khác hiện có trên thị trường với tỉ lệ dung lượng hữu ích 161 Wh/kg với mỗi gói pin. Tuy nhên, để được dùng làm nguồn năng lượng chính cho những chiếc máy bay vận tải thương mại bay chặng dài thì mật độ này cần phải từ 400 đến 500 Wh/kg.

Workman khẳng định" "Tôi đã tìm ra giải pháp - một thiết kế pin có trọng lượng nhẹ hơn và giải nhiệt tốt hơn nhiều nhưng chỉ cần một bề mặt lớn và phẳng, chẳng hạn như mặt phẳng cánh của một chiếc máy bay siêu thanh."

Ý tưởng của Workman không phải sử dụng không gian bên trong cánh hay thân máy bay để cất giấu các cell pin mà ngược lại sử dụng toàn bộ bề mặt cánh như một phần của thỏi pin khổng lồ. Anh nói: "Tôi muốn sử dụng toàn bộ bề mặt có sẵn của cánh để làm bề mặt điện cực và dẫn điện thông qua một trục dọc theo mặt cắt ngang của cánh."

Thay vì dẫn truyền năng lượng thông qua các phôi cực ở đầu mỗi cell pin, Workman muốn xếp lớp những tấm vật liệu hoạt hóa cỡ lớn cùng nhau giữa các lớp phôi 2 mặt siêu mỏng với một mặt được làm bằng nhôm, mặt kia bằng đồng. Cấu trúc này sẽ khiến các cell pin tiếp xúc với nhau, dẫn truyền năng lượng thông qua toàn bộ bề mặt của máy bay thay vì chỉ qua các đầu nối.

Workman cho biết: "Đối với các cấu trúc tổng hợp, nếu muốn vững chắc hơn thì nó cần một thành phần nằm giữ để hỗ trợ cho lớp vỏ bên ngoài. Chúng ta có thể sử dụng pin làm lớp giữa cho cánh và có thể sử dụng vỏ bằng nhôm bên ngoài cánh làm bộ gom dòng để đưa dòng điện từ pin đến mô-tơ." Workman cũng lưu ý rằng phương pháp trên sẽ không phù hợp để sử dụng cho các hệ thống pin cỡ nhỏ nhưng "Hãy đưa cho tôi toàn bộ phần cánh của một chiếc máy bay siêu thanh, vấn đề sẽ được giải quyết. Bề mặt cánh máy bay bao phủ bởi vật liệu dẫn điện có thể mang lại khả năng dẫn truyền cực kỳ hiệu quả trong khi không sản sinh nhiệt. Và bởi vì hầu như không sinh nhiệt nên chúng ta có thể sử dụng các loại vật liệu hoạt hóa mật độ cao hơn vốn vẫn chưa thể được dùng trong lĩnh vực ô-tô."

Concorde có sải cánh phẳng rộng đến 25,6 m và theo ước tính của Workman, việc thay thế vỏ ngoài bằng các cell pin bằng vật liệu hiện có đủ an toàn, có tuổi thọ bền bỉ và mật độ dung lượng có thể đạt 13.300 Ah/0,2 mm độ dày của mỗi lớp phôi. Nếu lắp vào cánh 900 lớp phôi thì bạn sẽ có được một hệ thống pin có điện áp 3,3 kV và tổng dung lượng khoảng 44 MWh.

Về trọng lượng, Workman cho rằng tổng trọng lượng của hệ thống pin này ở mức 104.000 kg với phần lớn là vật liệu hoạt hóa, tỉ lệ thất thoát năng lượng dẫn truyền cũng thấp hơn so với các cấu trúc pin hiện có mặc dù tỉ lệ sạc/xả của hệ thống pin này rất cao. Như vậy, hệ thống pin sẽ đạt mật độ dung lượng/trọng lượng 423 Wh/kg, cao hơn nhiều so với con số 161 Wh/kg như đã nói ở trên chỉ với những vật liệu hiện có, được lắp đặt trên một sải cánh rộng đến 300 m2 với một lõi phôi dày 20 cm và các tấm gom dòng dày 1 cm đặt trên và dưới các lớp trong cell pin. Pin càng lớn thì hiệu suất càng cao.

Điều này có nghĩa nếu chiếc máy bay càng lớn thì tầm bay của nó càng xa hơn nhờ pin lớn hơn cũng như có thể đạt được hiệu năng cao hơn khi vận tải hàng hóa và hành khách. Và nếu như cần một diện tích bề mặt lớn hơn thì hệ thống pin này có thể dùng trên … tàu thủy cỡ lớn (vỏ tàu) hoặc dành cho các hệ thống lưu trữ năng lượng.

Việc loại bỏ hình thức đóng gói thông thường, không cần dùng đến các phôi cực đóng vai trò kết nối cell pin trong thiết kế pin truyền thống cũng sẽ tiết kiệm được rất nhiều trọng lượng trong những hệ thống pin cỡ lớn. Hơn nữa hệ thống này có trở kháng dây dẫn thấp, giảm sụt áp đột ngột và nhiệt sản sinh, cho phép mở rộng dung lượng và tăng tỉ lệ sạc.

Trả lời cho câu hỏi anh sẽ làm gì với ý tưởng này? Workman thẳng thắn chia sẻ: "Tôi không có ý định chế tạo hệ thống này một mình trừ khi đây là dự án duy nhất mà tôi thực hiện. Nếu có bất cứ công ty nào muốn sử dụng nó (hệ thống pin nói trên), tôi luôn sẵn sàng chào đóng và vui vẻ giúp đỡ."

Workman không phải là tuýp người tin vào các đạo luật sở hữu trí tuệ, ngược lại anh rất muốn đưa ra những quyết định mang lại lợi ích cho nhân loại. "Lý do ở đây là tôi không bao giờ ngăn cản bất cứ ai sử dụng thứ này bởi chúng ta đều đang ở trên cùng một con tàu. Chúng ta buộc phải làm gì đó để giữ lại bầu khí quyển Trái Đất hoặc chúng ta thất bại như một chủng loài theo thuyết tiến hóa của Darwin."

Nếu chúng ta càng sớm có được những chiếc máy bay chạy điện không khí thải thì những chiếc máy bay nổi tiếng gây ô nhiễm như Boeing 747 hay Airbus sẽ càng sớm lui vào dĩ vãng. Nếu máy bay chạy điện, nó chỉ tương ứng với một phần nhỏ chi phí nhiên liệu hóa thạch cho những chuyến bay, cả về khía cạnh nhiên liệu lẫn chi phí bảo trì. Những chiếc máy bay chạy điện sẽ vận hành im lặng hơn, chuyến bay sẽ ngắn hơn nhờ tốc độ siêu thanh. Với sự tầm nhìn về một tương lai toàn phương tiện chạy điện, ô-tô, tàu điện thì máy bay cũng không phải là một ngoại lệ. Hy vọng rằng trong tương lai, sẽ có ai đó tiếp nhận ý tưởng này, tìm kiếm các tài nguyên và biến nó thành hiện thực.

Theo: New Atlas​