Ở độ cao bay, máy bay thải ra một luồng oxit nitơ ổn định vào bầu khí quyển, nơi các hóa chất có thể tồn tại để tạo ra ôzôn và các hạt mịn. Ôxít nitơ, hoặc NOx, là nguồn ô nhiễm không khí chính và có liên quan đến bệnh hen suyễn, bệnh hô hấp và rối loạn tim mạch. Nghiên cứu trước đây đã chỉ ra rằng việc tạo ra các hóa chất này do hàng không toàn cầu dẫn đến 16.000 ca tử vong sớm mỗi năm.
Mới đây, các kỹ sư của MIT (Viện Công nghệ Massachusetts) đã đưa ra một khái niệm về động cơ đẩy máy bay mà họ ước tính sẽ loại bỏ 95% lượng khí thải NOx của ngành hàng không, và do đó giảm 92% số ca tử vong sớm liên quan.
Khái niệm này được lấy cảm hứng từ hệ thống kiểm soát khí thải được sử dụng trong các phương tiện giao thông mặt đất. Nhiều xe tải động cơ diesel hạng nặng ngày nay có hệ thống kiểm soát khí thải sau đốt cháy để giảm lượng NOx do động cơ tạo ra. Các nhà nghiên cứu hiện đề xuất một thiết kế tương tự cho ngành hàng không, với một vòng xoắn điện.
Máy bay ngày nay được đẩy bằng động cơ phản lực thả neo bên dưới mỗi cánh. Mỗi động cơ có một tuabin khí cung cấp năng lượng cho cánh quạt đẩy để di chuyển máy bay trong không khí khi khí thải từ tuabin chảy ra phía sau. Do cấu hình này, không thể sử dụng các thiết bị kiểm soát khí thải, vì chúng sẽ cản trở lực đẩy do động cơ tạo ra.
Trong thiết kế hybrid-điện hay “turbo-điện” mới, nguồn năng lượng của máy bay sẽ vẫn là tuabin khí thông thường, nhưng nó sẽ được tích hợp trong khoang hàng của máy bay. Thay vì cung cấp năng lượng trực tiếp cho các cánh quạt đẩy hoặc quạt, tuabin khí sẽ điều khiển một máy phát điện, cũng được giữ lại, để sản xuất điện, sau đó sẽ cung cấp năng lượng điện cho các cánh quạt hoặc quạt được gắn trên cánh của máy bay. Khí thải do tuabin khí tạo ra sẽ được đưa vào một hệ thống kiểm soát khí thải, tương tự như hệ thống kiểm soát khí thải của các phương tiện chạy dầu, hệ thống này sẽ làm sạch khí thải trước khi phóng nó vào khí quyển.
Steven Barrett, giáo sư hàng không và du hành vũ trụ tại MIT cho biết: “Đây vẫn sẽ là một thách thức kỹ thuật to lớn, nhưng không có giới hạn vật lý cơ bản nào. “Nếu bạn muốn tiến tới một lĩnh vực hàng không net-zero, đây là một cách tiềm năng để giải quyết phần ô nhiễm không khí của nó, điều này rất quan trọng, và theo một cách khá khả thi về mặt công nghệ.”
Các chi tiết của thiết kế, bao gồm các phân tích về chi phí nhiên liệu tiềm ẩn và các tác động đến sức khỏe, được công bố ngày 14 tháng 1 trên tạp chí Khoa học Môi trường và Năng lượng. Các đồng tác giả của bài báo là Prakash Prashanth, Raymond Speth, Sebastian Eastham, và Jayant Sabnins, tất cả các thành viên của Phòng thí nghiệm Hàng không và Môi trường của MIT.
Một kế hoạch bán điện khí hóa (semi-electrified)
Hạt giống cho chiếc máy bay hybrid-điện của nhóm nghiên cứu đã nảy nở nhờ công việc của Barrett và nhóm của ông trong việc điều tra vụ bê bối khí thải động cơ diesel Volkswagen. Vào năm 2015, các cơ quan quản lý môi trường đã phát hiện ra rằng nhà sản xuất ô tô này đã cố tình điều khiển động cơ diesel chỉ để kích hoạt hệ thống kiểm soát khí thải trong quá trình thử nghiệm trong phòng thí nghiệm, sao cho chúng có vẻ đáp ứng tiêu chuẩn khí thải NOx nhưng thực tế lại thải ra NOx gấp 40 lần trong điều kiện lái xe thực.
Khi xem xét các tác động đến sức khỏe của việc gian lận khí thải, Barrett cũng trở nên quen thuộc với các hệ thống kiểm soát khí thải của xe chạy dầu nói chung. Cùng lúc đó, ông cũng đang xem xét khả năng chế tạo máy bay lớn chạy bằng điện.
“Nghiên cứu được thực hiện trong vài năm qua cho thấy bạn có thể điện khí hóa các máy bay nhỏ hơn, nhưng đối với các máy bay lớn, điều đó sẽ không xảy ra sớm nếu không có những đột phá lớn trong công nghệ pin,” Barrett nói. “Vì vậy, tôi nghĩ, có lẽ chúng ta có thể lấy phần động cơ điện từ máy bay điện và các tuabin khí đã có từ lâu đời và siêu đáng tin cậy và rất hiệu quả, và kết hợp nó với công nghệ kiểm soát khí thải được sử dụng trong ô tô và nguồn điện nền, để ít nhất có thể kích hoạt các máy bay bán điện khí hóa.”
Bay không tác động (zero impact)
Trước khi quá trình điện khí hóa máy bay được xem xét một cách nghiêm túc, người ta có thể triển khai một khái niệm như thế này, ví dụ như một tiện ích bổ sung cho mặt sau của động cơ phản lực. Nhưng thiết kế này, Barrett lưu ý, sẽ “giết chết bất kỳ luồng lực đẩy nào” mà động cơ phản lực tạo ra, tạo cơ sở cho thiết kế một cách hiệu quả.
Ý tưởng của Barrett giải quyết được hạn chế này bằng cách tách các cánh quạt hoặc quạt tạo ra lực đẩy khỏi tuabin khí tạo ra năng lượng. Thay vào đó, các cánh quạt hoặc quạt sẽ được cung cấp trực tiếp bởi một máy phát điện, sau đó sẽ được cung cấp năng lượng bởi tuabin khí. Khí thải từ tuabin khí sẽ được đưa vào một hệ thống kiểm soát khí thải, hệ thống này có thể được gấp lại, kiểu đàn accordion, trong khoang hàng của máy bay – hoàn toàn cách biệt với các cánh quạt tạo ra lực đẩy.
Ông hình dung phần lớn hệ thống hybrid-điện — tuabin khí, máy phát điện và hệ thống kiểm soát khí thải — sẽ nằm gọn trong bụng một chiếc máy bay, nơi có thể có nhiều không gian cho nhiều máy bay thương mại.
Trong bài báo mới của họ, các nhà nghiên cứu tính toán rằng nếu một hệ thống hybrid-điện như vậy được triển khai trên máy bay giống Boeing 737 hoặc Airbus A320, thì trọng lượng tăng thêm sẽ cần thêm khoảng 0,6% nhiên liệu để vận hành máy bay.
Barrett nói: “Điều này sẽ khả thi hơn gấp nhiều lần so với những gì đã được đề xuất cho máy bay chạy hoàn toàn bằng điện. “Thiết kế này sẽ tăng thêm hàng trăm kg cho một chiếc máy bay, trái ngược với việc bổ sung nhiều tấn pin, vốn sẽ nặng thêm một lượng lớn.”
Các nhà nghiên cứu cũng tính toán lượng khí thải sẽ được tạo ra bởi một chiếc máy bay lớn, có và không có hệ thống kiểm soát khí thải, và nhận thấy rằng thiết kế hybrid-điện sẽ loại bỏ 95% lượng khí thải NOx.
Nếu hệ thống này được triển khai trên tất cả các máy bay trên toàn thế giới, họ ước tính thêm rằng 92% các trường hợp tử vong liên quan đến ô nhiễm do hàng không sẽ tránh được. Họ đã đạt được ước tính này bằng cách sử dụng một mô hình toàn cầu để lập bản đồ dòng khí thải hàng không qua bầu khí quyển, và tính toán mức độ dân số khác nhau trên thế giới sẽ tiếp xúc với lượng khí thải này. Sau đó, họ chuyển đổi những phơi nhiễm này thành tỷ lệ tử vong, hoặc ước tính số người sẽ chết do tiếp xúc với khí thải hàng không.
Nhóm nghiên cứu hiện đang nghiên cứu các thiết kế cho một chiếc máy bay “không tác động” (“zero-impact”) bay mà không thải ra NOx và các hóa chất khác như carbon dioxide làm thay đổi khí hậu.
Barrett nói: “Chúng ta cần phải đạt được cơ bản là không có tác động đến khí hậu thực và không có trường hợp tử vong do ô nhiễm không khí. “Thiết kế hiện tại này sẽ loại bỏ hiệu quả vấn đề ô nhiễm không khí của ngành hàng không. Chúng tôi hiện đang nghiên cứu phần tác động khí hậu của nó.”
Techxplore
Discussion about this post