Từ khi còn nhỏ, mùi hydrocarbon chưa cháy từ máy bay phản lực trên đường băng khiến tôi ớn lạnh sống lưng với cảm giác rằng một điều gì đó thú vị và mạnh mẽ sắp xảy ra. Trước thách thức lớn về khí hậu, mùi này cũng báo hiệu lượng khí thải vì mỗi kg dầu hỏa tạo ra 3 kg carbon dioxide. Trong hành trình, một chiếc máy bay đốt cháy khoảng 1 kg mỗi giây nên một giờ bay tạo ra khoảng 10 tấn CO₂. Cộng tất cả các chuyến bay và hoạt động, khoảng 2,5% lượng khí thải CO₂ toàn cầu đến từ lĩnh vực hàng không.
Động cơ máy bay cũng tạo ra oxit nitơ, bồ hóng và hơi nước. Ở độ cao, chúng có thể tạo ra các vệt làm tăng lực bức xạ. Rõ ràng là tác động của hàng không đối với khí hậu là rất lớn và cần được giảm bớt một cách nghiêm túc.
Ngành công nghiệp đang nỗ lực hết sức để khử cacbon và các nhà cung cấp của nó cũng vậy, trong khi các cơ quan quản lý và chính phủ đang đưa ra cả các quy tắc và khuyến khích. Thách thức là việc đạt được mục tiêu về mức 0 ròng vào năm 2050 mà IATA, cơ quan thương mại hàng không, đặt ra là vô cùng khó khăn trong một lĩnh vực có thời gian thực hiện kéo dài hàng thập kỷ. Nó sẽ đòi hỏi nhiều con đường và công nghệ, sự hợp tác chưa từng có và cách tiếp cận 'tất cả những điều trên'.
Cách tiếp cận đa chiều
Thành quả dễ thấy nhất là các biện pháp vận hành nhanh chóng và mang lại lợi nhuận nhanh chóng, chẳng hạn như áp đặt giới hạn trọng lượng chặt chẽ hơn trên các chuyến bay, bổ sung thêm ghế vào cabin và khuyến khích phi công bay và taxi hiệu quả hơn. Việc tận dụng tốt hơn không gian có sẵn – chẳng hạn như chương trình Bầu trời Châu Âu duy nhất và NextGen ở Hoa Kỳ – cũng sẽ hữu ích. Tác động của những cải tiến trong kiểm soát không lưu có thể là giảm 6-12% lượng khí thải trong 20 năm.
Việc nâng cấp động cơ máy bay có tiềm năng khử cacbon lớn hơn, chẳng hạn như tiết kiệm 15-20% lượng nhiên liệu đốt, tùy thuộc vào tình trạng hiện tại của đội bay của hãng hàng không và tốc độ thay thế động cơ đó. Nhiều hãng hàng không đã bắt đầu rửa động cơ phản lực của họ kể từ khi loại bỏ ngay cả cặn nhỏ khỏi các bộ phận động cơ cũng giúp cải thiện hiệu quả sử dụng nhiên liệu. Các máy bay hiện đại như A350, B787 và B777X sử dụng vật liệu composite và khí động học tiên tiến để giảm trọng lượng và lực cản, giảm tiêu hao nhiên liệu và do đó giảm lượng khí thải.
Một lĩnh vực quan trọng hiện đang được khám phá là hệ thống động cơ điện, turbo điện hoặc hybrid. Bất kể vật mang năng lượng là pin, nhiên liệu hàng không bền vững (SAF), hydro hay amoniac, mỗi vật liệu này sẽ cần một máy điện để chuyển công điện thành công cơ khí, sau đó có thể sử dụng để đẩy phương tiện.
Công nghệ mới, thách thức mới
Đối với pin, đó là do thiếu mật độ năng lượng, như khi xem nhanh các con số sẽ chứng minh. Dầu hỏa có mật độ năng lượng 12.000 watt-giờ mỗi kg. Vì động cơ máy bay tua-bin khí tốt nhất có hiệu suất khoảng 50% nên công suất hữu ích là khoảng 6.000 Wh/kg.
Mật độ năng lượng trung bình của pin ngày nay là khoảng 150 Wh/kg và con số này có thể đạt 600 Wh/kg sau một thập kỷ sử dụng các hóa chất pin tiên tiến. So với nhiên liệu hydrocarbon, đây là mức độ thấp hơn một bậc, đó là lý do tại sao hệ thống pin điện có thể sẽ bị hạn chế ở các máy bay nhỏ và di chuyển trong đô thị.
Máy bay chạy bằng hydro đang được cả hai nhà sản xuất lớn, bao gồm Airbus và các công ty khởi nghiệp như Universal Hydrogen nghiên cứu phát triển. Một thách thức chính ở đây là mật độ nhiên liệu thể tích thấp. Tùy thuộc vào nhiệm vụ của máy bay, các thùng chứa khí hydro sẽ phải rất lớn và do đó nặng.
Hóa lỏng hydro để nó đặc hơn hầu như khắc phục được vấn đề đầu tiên nhưng lại tạo ra vấn đề thứ hai, vì hydro đông lạnh (được bảo quản ở -250˚C) bốc hơi với tốc độ đáng kể là 48% mỗi ngày. Tuy nhiên, có những ý tưởng khác đang được khám phá. Các chu trình động cơ tiên tiến có thể tận dụng các đặc tính đông lạnh của hydro, chẳng hạn như sử dụng nó làm bộ tản nhiệt hoặc thu nước được tạo ra và bơm nó dưới dạng hơi nước để tăng lực đẩy và giảm thiểu các vệt khói và khí thải NOx.
Một lựa chọn mang năng lượng khác để giảm lượng CO₂ thải ra là SAF. Một lợi thế là nó có thể sử dụng cơ sở hạ tầng hiện tại và đã có hơn 400.000 chuyến bay cất cánh trong đó một số SAF đã được trộn vào hỗn hợp nhiên liệu. Và trong một dấu hiệu hợp tác đáng hoan nghênh, các công ty năng lượng lớn đang đầu tư cùng với các hãng hàng không khách hàng của họ để mở rộng quy mô sản xuất. Tuy nhiên, hiện tại không có đủ đầu vào, cho dù đó là dầu thải làm nhiên liệu sinh học hay năng lượng tái tạo để tạo ra nhiên liệu điện như e-SAF hoặc e-methane, và chi phí hiện nay là không kinh tế.
Một cách tiếp cận khác để cắt giảm khí thải có thể là giảm nhu cầu. Tháng 5 này, Pháp đã cấm các chuyến bay đường ngắn trong đó chuyến đi tương tự có thể được thực hiện bằng tàu hỏa trong 2,5 giờ hoặc ít hơn. Nhưng việc mở rộng phương pháp tiếp cận này để bay xuyên lục địa không phải là một lựa chọn thực sự do hiện tại thiếu phương tiện vận chuyển thay thế không phát thải. Ngoài ra, nó có thể gây ra tác động thảm khốc đối với nền kinh tế toàn cầu và có thể gây nguy hiểm đến tính mạng do làm gián đoạn chuỗi cung ứng các mặt hàng quan trọng như thuốc men.
MIT & MHI
Trong khi đó, Phòng thí nghiệm Tua bin khí MIT (GTL) và Mitsubishi Heavy Industries (MHI), cùng nhiều phòng thí nghiệm khác, đang nỗ lực giải quyết những thách thức này. Thông qua sự hợp tác chiến lược lâu dài với MHI, chúng tôi hiện đang tạo ra một cỗ máy điện quy mô megawatt (MW) mật độ năng lượng cao để giúp chuyển đổi lĩnh vực hàng không và giao thông vận tải khác. Trình diễn động cơ 1MW của chúng tôi là bước đệm quan trọng để điện khí hóa các máy bay lớn hơn. Chúng tôi có một đội ngũ chuyên gia tuyệt vời với nhiều kinh nghiệm trong từng lĩnh vực quan trọng. Điều này làm cho tổng thể lớn hơn tổng của các bộ phận.
Dự án là một chương trình sức mạnh của ngành, trong đó trọng tâm chính là giảm thiểu rủi ro. Điều này được thực hiện bằng mô hình phần cứng của các bộ phận chính bằng cách sử dụng nguyên mẫu nhanh, trình diễn sản xuất và lắp ráp các bộ phận quan trọng cũng như các thử nghiệm thử nghiệm giàn khoan bộ phận để mô tả hiệu suất. Được cộng tác với MHI thực sự là một đặc ân và là trải nghiệm vô giá đối với sinh viên khi được chứng kiến những ý tưởng được biến thành phần cứng và các sản phẩm tiềm năng trong tương lai.
