Sét là nguồn thu năng lượng?
Ngày 26 tháng 7 năm 2023
Tác giả: Bill Schweber
Chúng ta luôn tìm cách thu năng lượng từ nhiều nguồn khác nhau, trên danh nghĩa là "miễn phí" như gió, nước, mặt trời và thậm chí là những khả năng ít đặc hơn như rung động và ma sát. Sau đó, có những tia sét đánh là nguồn năng lượng tiềm năng bị lãng phí, cũng như thường gây ra sự phá hoại. (Sét đánh rất phổ biến; vệ tinh Meteosat thế hệ thứ ba của Châu Âu được phóng vào tháng 12 với các camera có thể theo dõi và ghi lại các tia sét, ngay cả những tia sét nhỏ nhất và nhanh nhất, cả ngày lẫn đêm, trên hơn 80 phần trăm bề mặt Trái đất.)
Tình trạng lãng phí năng lượng đó có thể thay đổi không? Không có khả năng - nhưng như chúng ta biết, "không bao giờ nói không bao giờ" khi nói đến công nghệ và tiến bộ. Vào tháng 1, một nhóm nghiên cứu có trụ sở tại châu Âu đã công bố một bài báo thú vị trên tạp chí Nature Photonics với tiêu đề đơn giản đến ngạc nhiên là “Sét dẫn đường bằng laser.”) Bài báo nêu chi tiết cách họ phát ra các xung lặp lại từ tia laser công suất cao để dẫn các tia sét cách xa tới hai dặm xuống một thanh nối đất tương đối nhỏ gần thiết lập trên núi Thụy Sĩ của họ, Hình 1 [1].
Hình 1 a) Bố trí thiết lập thử nghiệm trên đỉnh núi Säntis ở Thụy Sĩ. b) Chụp ảnh thử nghiệm bằng sóng hài bậc hai của chùm tia laser được sử dụng để hình dung đường đi của tia laser. Nguồn: “Sét dẫn đường bằng laser”, Nature photonics, 2023
Giải thích có khả năng là các xung laser đã làm không khí quá nóng, khiến không khí trở nên dẫn điện dọc theo đường đi của tia laser, Hình 2.
Hình 2 Ảnh chụp nhanh sự kiện sét đánh ngày 24 tháng 7 năm 2021 được ghi lại khi có tia laser. Nguồn: “Laser Guided Lightning”, Nature photonics, 2023
Khả năng định hướng sét này có thể đặt ra một câu hỏi hiển nhiên: tại sao không dẫn năng lượng này đến một loại hệ thống lưu trữ năng lượng (ESS) nào đó? Rốt cuộc, năng lượng đó sẽ bị lãng phí vì nó thực sự và theo nghĩa đen là được nối đất. (Tôi thậm chí còn thấy những người được gọi là “chuyên gia” đề xuất đây là nguồn năng lượng không tốn kém/giá rẻ.)
Giá mà nó dễ dàng như vậy. Một câu hỏi đầu tiên hay là: có bao nhiêu năng lượng và công suất trong một cú sét đánh? Câu trả lời bao gồm một phạm vi rộng, nhưng theo Tess Light trong nhóm Không gian và Cảm biến từ xa tại Phòng thí nghiệm quốc gia Los Alamos, sét “vừa cực kỳ mạnh mẽ vừa cực nhanh” và mỗi cú sét đánh tạo ra khoảng năm mươi nghìn ampe chỉ trong micro giây, với cú đấm megavolt.
Hơn nữa, trong khi mỗi cú sét đánh tạo ra khoảng năm hoặc mười gigajoule năng lượng (một GJ = 109 joule), phần lớn năng lượng đó bị mất khi làm nóng không khí và do đó không phải là năng lượng điện “có thể thu được”. (Để bạn hiểu rõ hơn về quy mô, một cục pin EV lớn có dung lượng khoảng 100 kilowatt giờ hoặc 3,6 × 108 joule.) Vì vậy, mặc dù sét có vẻ có rất nhiều năng lượng, nhưng thực tế thì không nhiều như vậy và bạn sẽ cần rất nhiều lần đánh.
Tại sao không làm cho nó đơn giản hơn và sử dụng một thanh thu lôi đơn giản, hoàn toàn thụ động? Câu trả lời liên quan đến phạm vi hiệu quả của thanh thu lôi.
Mặc dù con số chính xác phụ thuộc vào các điều kiện khí quyển, mặt đất và các điều kiện khác, nhưng hướng dẫn chung là một thanh tiêu chuẩn có thể thu hút sét trong bán kính bằng chiều cao của nó. Do đó, bạn sẽ cần một "trang trại" lớn các thanh thu lôi với sự kết hợp của một lượng lớn diện tích đất và các thanh cao. Sơ đồ dựa trên tia laser làm tăng diện tích bắt và giảm yêu cầu về chiều cao của thanh.
Vẫn còn một vấn đề nữa: Liệu việc định hướng sét bằng tia laser có đáng giá theo quan điểm cân bằng năng lượng không? Ngay cả khi khả thi về mặt kỹ thuật, sơ đồ tia laser cũng có nhược điểm lớn riêng vì bản thân nó sử dụng rất nhiều năng lượng. Các nhà nghiên cứu đã sử dụng tia laser Yb:YAG phát ra xung pico giây ở mức năng lượng 500 MJ với bước sóng 1.030 nm và tốc độ lặp lại 1 kHz. Nói cách khác, chi phí năng lượng để điều khiển tia laser lớn hơn chi phí năng lượng của tia sét thu được.
Sự mất cân bằng này có phần tương tự như báo cáo "thành công" về phản ứng tổng hợp gần đây từ Cơ sở đánh lửa quốc gia (NIF) ở California. Họ tập trung khoảng 2 MJ năng lượng từ hàng trăm tia laser vào một viên nang nhiên liệu tổng hợp nhỏ, tạo ra một vụ nổ tạo ra khoảng 3 MJ năng lượng. Mặc dù đây là một bước đột phá theo nhiều cách và mất nhiều năm (và $) để xảy ra, nhưng bản thân hệ thống điều khiển tia laser chỉ có hiệu suất 1%, do đó cần khoảng 200 MJ làm tổng năng lượng đầu vào của dự án—không phải là một phương trình chiến thắng.
Ngay cả khi sự cân bằng công suất có lợi cho việc thu thập tia sét, nó vẫn không giải quyết được một vấn đề khó giải quyết khác giữa tia sét thu được và bất kỳ ESS nào đã biết. Làm sao bạn có thể đưa được nhiều năng lượng như vậy (tốc độ truyền năng lượng) vào pin? Không có loại pin hoặc ESS hiện tại nào có thể chịu được sự gia tăng năng lượng cực lớn đó—và đó chính là nó.
Tất nhiên, bước tiếp theo trong nghiên cứu như vậy hầu như luôn liên quan đến “lớn hơn” và “nhiều tiền hơn”. Nhà nghiên cứu chính được trích dẫn trong các bản tin rằng họ muốn tăng khoảng cách mà tia laser có thể dẫn tia sét lên hàng trăm mét. Về mặt lý thuyết thì có thể với một tia laser lớn hơn, mạnh hơn, nhưng nguyên mẫu tia laser được sử dụng trong cuộc trình diễn này có giá 2 tỷ euro. (Nếu vượt quá ngân sách của bạn, bạn có thể phải sử dụng thứ gì đó đơn giản hơn, chẳng hạn như máy dò sét tự chế bốn bóng bán dẫn, hãy xem “Mạch đơn giản lấy tín hiệu tương tự làm mở rộng quan điểm STEM.”)
Có một mối liên hệ lịch sử thú vị với toàn bộ câu chuyện thu sét này. Trước khi có dòng điện chạy qua như chúng ta sử dụng ngày nay, Benjamin Franklin thực sự đã thu được một số năng lượng sét trong lọ Leyden (một loại tụ điện ban đầu) trong thí nghiệm thả diều nổi tiếng của ông. Đây không phải là huyền thoại hay truyền thuyết, vì nó đã được ghi chép lại đầy đủ vào thời điểm đó (mục “Thí nghiệm thả diều” trên Wikipedia có thảo luận rõ ràng và các liên kết tham khảo đáng tin cậy).
Franklin đã tách “dây dẫn xuống” của diều bằng cách sử dụng dây gai dầu ướt làm dây dẫn điện đến lọ Leyden và một sợi tơ cách điện trên nhánh bên kia cho con trai ông đang thả diều, người ở trong một nhà kho để không bị ướt. Ông đã thành công trong việc chỉ ra mối quan hệ giữa tĩnh điện và sét trước khi điện (tĩnh điện hoặc các loại khác) được hiểu hoặc có bất kỳ ứng dụng thực tế nào.
Đối với việc thu thập sét ngày nay, có vẻ như câu chuyện vẫn như vậy: bất kể thoạt đầu có vẻ hấp dẫn đến đâu, việc thu thập năng lượng trên quy mô lớn không hề dễ dàng và không có "bữa trưa miễn phí" nào ở đó.
