Hydro: Năng lượng sạch cho máy bay tương lai

Hàng năm, rất ít trong số hàng nghìn khách du lịch đến Bãi biển West Palm bang Florida (Mỹ), để ý đến khu công nghiệp bị bỏ hoang ở rìa thị trấn. Một tấm biển mờ có nội dung “MÁY ẢNH KHÔNG ĐƯỢC PHÉP ĐỐI VỚI TÀI SẢN NÀY” được gắn vào một cánh cổng chặn một con đường vào bị lãng quên.

Đó là một trong số ít manh mối cho thấy nhà máy sản xuất Phân bón Apix từng che giấu một bí mật. Địa điểm rộng 25,9 km vuông là cơ sở bí mật của chính phủ Mỹ và vào cuối thập niên 1950 trở thành trọng tâm mọi nỗ lực của Mỹ nhằm theo dõi kho vũ khí hạt nhân Liên Xô. Thay vì sản xuất phân bón cho nông dân, địa điểm này có lẽ là nơi sản xuất hydro lỏng lớn nhất thế giới, cần thiết cho một thứ: Dự án Suntan.

Đây là tên mã đặt cho dự án “tuyệt mật” chế tạo chiếc máy bay do thám Lockheed U-2 bắt đầu từ năm 1956. Lockheed CL-400 Suntan giống chiếc máy bay không gian, hay Thunderbird, hơn là một chiếc máy bay do thám. Được dẫn dắt bởi Kelly Johnson - nhà thiết kế thiên tài của Lockheed và người sáng lập Skunk Works bí mật - chiếc máy bay giống như phi tiêu được dự định bay với tốc độ Mach 2,5 ở độ cao 30.000 mét và được cung cấp năng lượng bởi hydro lỏng - tức là hydro được làm lạnh xuống nhiệt độ đông lạnh khoảng -253C.

Skunk Works là doanh nghiệp có trụ sở tại Burbank California. Đội ngũ kỹ sư tin rằng họ đang tham gia một “cuộc đua hydro” với Liên Xô sau khi các chuyến bay của U-2 qua Liên Xô phát hiện ra việc xây dựng các nhà máy hydro lỏng. Người Mỹ tin rằng Liên Xô đang phát triển máy bay không gian/do thám của riêng họ; hoặc máy bay đánh chặn tốc độ cao, bay cao để bắn hạ U-2. Động lực thực sự của Liên Xô trở nên rõ ràng vào năm 1957, khi Sputnik được phóng bằng tên lửa sử dụng hydro lỏng.

Mặc dù các khía cạnh của dự án đã thành công, nhóm Skunk Works vẫn không thể giải quyết được hai vấn đề với máy bay sử dụng hydro mà ngày nay các nhà thiết kế vẫn phải đối mặt. Đầu tiên là hydro rất nhẹ, nhưng nó cần thể tích gấp 4 lần trên một chiếc máy bay và việc bảo quản rất khó khăn. Hydro lỏng có lợi thế hơn so với khí hydro áp suất, bao gồm mật độ năng lượng cao hơn (quan trọng đối với phạm vi dài hơn) và không cần bình nặng, mạnh.

Tuy nhiên, mặc dù thiết kế của Johnson cho Dự án Suntan dài ngang ngửa với một máy bay ném bom B-52, nó vẫn không thể đạt được tầm bay mà Johnson đã hứa với Không quân Mỹ. Vấn đề thứ hai thậm chí còn lớn hơn. Mặc dù chứng tỏ có thể sản xuất đủ hydro lỏng, nhưng cơ sở hạ tầng cần thiết để vận hành một chiếc máy bay sử dụng hydro lại là vấn đề khác. Đó là việc vận chuyển hydro lỏng dễ bay hơi với số lượng khổng lồ tới những căn cứ không quân trên khắp thế giới, cất giữ và tiếp nhiên liệu an toàn cho máy bay.

Khi nhóm Lockheed lưu trữ hàng trăm gallon hydro lỏng tại Skunk Works, một nhà khoa học đến thăm đã cảnh báo họ “Chúa ơi ... bạn sẽ cho nổ tung Burbank”. Sau đó, họ được nhắc nhở về lời tiên tri này khi một đám cháy bùng phát và suýt gây ra một vụ nổ lớn có thể phá hủy cơ sở tối mật, sân bay lân cận và chính Burbank.

Năm 1958, với sự thẳng thắn nổi tiếng của mình, Johnson hoàn trả khoảng 90 triệu USD đã chi cho dự án. Chiếc máy bay chạy bằng năng lượng hydro đã trở thành một trong số ít thất bại trong sự nghiệp của ông. Thật dễ dàng để nghĩ rằng nếu Johnson và Skunk Works của ông không thể làm cho nhiên liệu mới hoạt động, thì không ai có thể làm được. Một số kỹ sư máy bay khác không đồng ý. Ngày 15-4-1988, chiếc máy bay thử nghiệm của Liên Xô trông khá bình thường là TupolevTu-155 đã bay bằng hydro lỏng, và chiếc máy bay cải tiến đã bay khoảng 100 chuyến.

Sự tan rã của Liên bang Xôviết đã cắt giảm chương trình này, nhưng một số máy bay nhỏ chạy bằng năng lượng hydro hoặc UAV (máy bay không người lái) đã bay kể từ đó. Nguyên mẫu của máy bay không người lái sử dụng hydro lỏng của Boeing bay lần đầu tiên vào ngày 1-6-2012. Trong chuyến bay cuối cùng, chiếc Phantom Eye này đã bay từ 8 đến 9 giờ ở độ cao 16.500 mét. Giờ đây, một thế hệ kỹ sư mới đang theo đuổi thiết kế máy bay sử dụng năng lượng hydro với mức độ cấp bách hơn, được thúc đẩy bởi lời hứa không phát thải carbon.

Vấn đề là ngành hàng không hiện đang chịu trách nhiệm cho khoảng 2,4% lượng khí thải carbon toàn cầu. Hầu hết các thiết kế này tạo ra điện bằng cách sử dụng hydro lỏng để cung cấp năng lượng cho pin nhiên liệu hoặc đốt cháy trong động cơ, hoặc kết hợp cả hai. Với hydro, cơ hội để suy nghĩ lại về thiết kế máy bay, bao gồm cả cánh, vì nhu cầu lưu trữ hydro lỏng trong các thùng cách nhiệt, tương đối nặng. Điều đó có thể khiến những chiếc máy bay trong tương lai trông khác đi rất nhiều.

Tháng 7-2020, một nhóm nghiên cứu Đại học Công nghệ Delft (Hà Lan) lái xe đến căn cứ không quân Fassberg ở Lower Saxony (Đức), trong nhiệm vụ thử nghiệm một thiết kế hoàn toàn mới của máy bay thương mại sử dụng năng lượng hydro có tên là Flying-V. Bản thân Airbus đã tiết lộ máy bay chạy bằng hydro lỏng, một trong số đó có thể đi vào hoạt động vào năm 2035.

FlyZero, một dự án của Anh nhằm hiện thực hóa ngành hàng không thương mại không phát thải, đã đánh giá 27 cấu hình khác nhau cho các máy bay sử dụng hydro trước khi sản xuất riêng. Điều đó cho thấy có rất nhiều thiết kế khác nhau cho máy bay thương mại sử dụng hydro trong tương lai. David Debney, kỹ sư trưởng của FlyZero cho biết: “Vấn đề là bạn có thể đặt những bình hydro này ở đâu trong máy bay”.