Tiềm năng to lớn của năng lượng sóng cuối cùng cũng có thể được khai phá nhờ sức mạnh của âm thanh—nghiên cứu mới
Nguồn: Unsplash/CC0 Public Domain
Sóng biển từ lâu đã được coi là có tiềm năng to lớn như một nguồn năng lượng tái tạo. Sóng biển tạo ra khoảng 50 nghìn tỷ đến 80 nghìn tỷ watt điện trên toàn thế giới—gần gấp hai đến ba lần mức tiêu thụ năng lượng hàng năm hiện tại của thế giới.
Nhiều thiết bị đã được thiết kế để thu và chuyển đổi năng lượng lớn của sóng thành điện, nhưng các công nghệ ngày nay phải đối mặt với những thách thức về hiệu quả, đặc biệt là ở vùng nước sâu hơn. Do đó, năng lượng sóng biển vẫn chưa cất cánh như một nguồn năng lượng tái tạo giống như gió và mặt trời.
Một cách giải quyết vấn đề này nằm ở sự tương tác giữa hai loại sóng: sóng trên bề mặt đại dương và sóng dưới nước. Nhóm nghiên cứu của tôi vừa công bố một bài báo chứng minh cách sử dụng sóng âm dưới nước để làm cho sóng bề mặt mạnh hơn, có khả năng biến chúng thành nguồn năng lượng khả thi hơn.
Những hiểu biết tương tự cuối cùng cũng có thể được sử dụng để giảm thiểu rủi ro của sóng thần bằng cách làm cho chúng nhỏ hơn. Ngoài ra, trong một bài báo mới thứ hai, chúng tôi chỉ ra cách sử dụng sóng ngầm để cải thiện hệ thống cảnh báo sớm sóng thần hiện nay.
Sóng trên bề mặt đại dương thường được tạo ra bởi sự kết hợp giữa gió nâng nước lên và lực hấp dẫn kéo nước xuống—do đó, đôi khi chúng được gọi là sóng bề mặt hấp dẫn. Mặt khác, sóng ngầm là sóng âm do các hiện tượng như động đất hoặc phun trào núi lửa tạo ra, đôi khi ở độ sâu hàng nghìn mét dưới bề mặt.
Những sóng âm này di chuyển bằng cách nén và giãn nước, tương tự như cách âm thanh di chuyển trong không khí. Chúng di chuyển qua các khoảng cách xuyên đại dương với tốc độ âm thanh trong nước (khoảng 1.500 mét mỗi giây) trước khi cuối cùng tiêu tan. Sóng bề mặt di chuyển với tốc độ thấp hơn nhiều, theo thứ tự hàng chục mét mỗi giây.
Trong lý thuyết sóng nước cổ điển, hai loại sóng này được coi là các thực thể riêng biệt, mỗi loại tồn tại trong thế giới riêng theo nhịp điệu riêng. Khả năng tương tác của chúng chỉ xuất hiện ở mặt sau của một bài báo nghiên cứu năm 2013 mà tôi đồng sáng tác, thúc đẩy tôi và các đồng nghiệp nghiên cứu một hiện tượng được gọi là cộng hưởng bộ ba.
Đây là nơi hai sóng âm truyền năng lượng cho một sóng bề mặt bằng cách khớp tần số của nó, từ đó khiến sóng bề mặt trở nên lớn hơn và mạnh hơn (bằng cách tăng biên độ của nó). Điều này mở ra khả năng sử dụng máy phát sóng âm để tạo ra sóng âm được điều chỉnh theo kích thước và tần số cụ thể giúp tăng cường (hoặc triệt tiêu) sóng bề mặt.
Sóng tăng cường sẽ cho phép các tuabin sóng và cột nước dao động ngày nay (sử dụng năng lượng sóng để đẩy không khí qua tuabin) tạo ra nhiều điện hơn, khắc phục hiệu quả vấn đề hiệu suất của chúng.
Yêu cầu chính sẽ là một máy phát sóng âm có thể được điều chỉnh chính xác ở quy mô cần thiết. Các máy phát sóng âm đã tồn tại cho mục đích phòng thí nghiệm, vì vậy vấn đề là phải mở rộng quy mô công nghệ hiện có.
Phát hiện nghiên cứu của chúng tôi cho thấy cộng hưởng bộ ba có thể làm tăng chiều cao sóng bề mặt hơn 30%. Tất nhiên, máy phát điện sẽ cần năng lượng, mặc dù hy vọng là nó cũng có thể được cung cấp năng lượng từ sóng để giảm thiểu lượng khí thải carbon. Một thách thức nữa là đảm bảo rằng các phương pháp được phát triển để sử dụng năng lượng âm thanh một cách hiệu quả nhằm đảm bảo rằng năng lượng bị lãng phí ít nhất có thể.
Bước tiếp theo của chúng tôi là tạo ra một số mô phỏng số và tiến hành một loạt các thí nghiệm trong phòng thí nghiệm quy mô nhỏ để xem cách cộng hưởng ba hoạt động trong thực tế. Những điều này sẽ giúp tinh chỉnh các lý thuyết của chúng tôi và đánh giá tính khả thi của chúng, hy vọng với mục đích biến điều này thành hiện thực thương mại.
Giảm thiểu sóng thần
Ban đầu, tôi đã đề xuất khả năng giảm độ cao của sóng thần bằng cách điều khiển sóng âm dưới nước vào năm 2017. Trong bài báo mới, chúng tôi sẽ xem xét vấn đề này chi tiết hơn.
Chúng tôi thấy rằng cơ chế cộng hưởng chắc chắn đã diễn ra ở quy mô đại dương trong trận động đất và sóng thần Tonga năm 2022. Điều này cho thấy về mặt lý thuyết, có thể điều khiển kích thước của sóng thần bằng kỹ thuật của chúng tôi.
Thách thức nằm ở việc tạo ra và định hướng sóng âm ở quy mô và cấu hình cần thiết trong điều kiện thực tế. Điều này sẽ khó khăn hơn so với việc sử dụng sóng âm để giúp khai thác năng lượng sóng, một phần là do quy mô của sóng thần, đòi hỏi phải có một máy phát sóng âm mạnh hơn nhiều.
Các vấn đề khác cần khắc phục là biết được các đặc tính chính xác của sóng thần theo thời gian thực và rủi ro khi sử dụng cấu hình sai thực sự có thể khiến sóng lớn hơn thay vì nhỏ hơn.
Mặc dù có thể mất một thời gian để thực hiện điều này khả thi, nhưng sóng âm cũng có khả năng giúp giảm thiểu sóng thần theo một cách khác. Bài báo thứ hai của chúng tôi chứng minh rằng việc theo dõi và phân tích các sóng này theo thời gian thực có thể bổ sung cho các sóng hiện có và sóng thần công nghệ mới nổi
công nghệ rging để dự đoán sóng thần, bao gồm phao đại dương và máy đo địa chấn.
Hiện nay có hàng nghìn máy đo địa chấn được triển khai trên khắp thế giới, nhưng chúng chỉ theo dõi động đất, trong khi sóng thần cũng có thể do lở đất, nổ và phun trào núi lửa gây ra. Ngay cả khi có động đất, các số liệu địa chấn lớn không phải lúc nào cũng dẫn đến sóng thần lớn. Điều này có thể dẫn đến báo động giả, chẳng hạn như ở Alaska năm 2018.
Trong khi đó, phao đại dương, dùng để đo mực nước biển và áp suất nước, thường bị lỗi do điều kiện vận hành của chúng và cũng tương đối chậm trong việc đưa ra cảnh báo khi sóng thần (theo tính toán của tôi) có thể di chuyển với tốc độ lên tới 200m mỗi giây ở đại dương sâu.
Một hệ thống bổ sung là đo sóng âm bằng micrô dưới nước được gọi là thủy âm kế. Chúng thu được sóng âm do tất cả các hiện tượng gây ra sóng thần tạo ra và tốc độ di chuyển của những con sóng này có nghĩa là chỉ cần 30 trạm thủy âm kế có thể bao phủ toàn bộ các khu vực có nguy cơ sóng thần cao trên thế giới.
Điều này có thể đặc biệt cứu sống các cộng đồng ven biển gần nguồn sóng thần. Nó cũng sẽ hỗ trợ các mục tiêu toàn cầu cho các thành phố ven biển có khả năng phục hồi tốt hơn, chẳng hạn như mục tiêu của UNESCO là biến tất cả những nơi như vậy thành "sẵn sàng ứng phó sóng thần" vào năm 2030.
