Truyền tải điện không dây dẫn: Giải pháp cho khủng hoảng năng lượng

Trong khi các nhà khoa học đang xây dựng nguyên mẫu của chiếc máy bay chạy bằng năng lượng không dây, và những ứng dụng tiện ích như truyền tải không dây điện năng từ các turbin gió tới các hộ dân, đến các ứng dụng quy mô lớn hơn như các nhà máy điện trên mặt trăng làm việc vẫn còn là lý thuyết. Một khi các nhà nghiên cứu đã hoàn thành được công nghệ điện không dây, thế giới sẽ không chỉ chứng kiến một cuộc cách mạng trong thẩm mỹ kiến trúc mà còn trong cả khoa học và y tế.

Từ ý tưởng của Nikola Tesla

Trong số nhiều phát minh của mình, Nikola Tesla mơ ước tạo ra một cách để cung cấp điện cho thế giới mà không cần phải căng dây dẫn trên toàn cầu. Các nhà phát minh đã gần đạt được điều này khi “nhà khoa học điên” thể hiện sáng tạo của mình trong những cuộn dây Tesla. Các hệ thống không dây có thể truyền tải điện đầu tiên, các cuộn dây Tesla là một phát minh mang tính cách mạng thực sự. Tesla phát triển các cuộn dây vào năm 1891, trước khi biến áp lõi sắt thông thường được sử dụng để chuyển năng lượng như hệ thống chiếu sáng và điện thoại. Những biến áp thông thường không thể chịu được tần số cao và điện áp cao mà các cuộn dây trong phát minh của Tesla có thể chịu đựng được.

Một cuộn dây Tesla bao gồm hai phần: một cuộn dây sơ cấp và cuộn thứ cấp, và mỗi cuộn dây có tụ điện riêng. Hai cuộn dây và tụ điện được nối với nhau bằng một khe đánh lửa - một khoảng cách giữa hai điện cực để tạo ra tia lửa điện. Về cơ bản, các cuộn dây Tesla là hai mạch điện mở kết nối với một khe đánh lửa. Một cuộn dây Tesla cần một nguồn điện cao áp. Một nguồn điện được cung cấp thông qua một biến áp có thể sản xuất một dòng điện với cường độ cần thiết (ít nhất hàng ngàn vôn).

Nguồn điện được nối với cuộn dây sơ cấp. Tụ điện của cuộn dây chính hoạt động như một miếng bọt biển thấm hút các điện tích. Cuộn dây sơ cấp tự nó phải có khả năng chịu đựng điện tích rất lớn và sóng điện, do đó chúng thường được làm bằng đồng - một loại dây dẫn điện tốt. Các tụ điện được tích tụ nhiều điện tích đến mức kháng không khí trong khe đánh lửa. Sau đó, dòng điện đi ra khỏi tụ điện đi xuống cuộn dây chính và tạo ra từ trường.

Năng lượng lớn khiến cho từ trường sụt giảm nhanh chóng, tạo ra dòng điện trong cuộn thứ cấp. Điện áp bị nén qua không khí giữa hai cuộn dây tạo ra tia lửa ở khe đánh lửa. Năng lượng bao phủ giữa hai cuộn dây và tích tụ ở cuộn thứ cấp, tụ điện. Điện tích trong tụ điện thứ cấp lên cao và thoát ra dưới dạng hồ quang điện. Với điện áp tần số cao có thể thắp sáng bóng đèn huỳnh quang cách xa vài bước chân mà không cần dây điện kết nối.

Nguyên tắc cơ bản của cuộn dây Tesla chính là hiện tượng cộng hưởng, cộng hưởng xảy ra khi cuộn dây chính bắn dòng điện vào cuộn dây thứ cấp đúng thời điểm để tối đa hóa năng lượng chuyển vào các cuộn dây thứ cấp. Ngày nay cuộn dây Tesla không còn được ứng dụng thực tế nhiều nữa, song phát minh của Tesla đã làm nên cuộc cách mạng về cách hiểu và sử dụng điện năng.

Nikola Tesia.

Đến những mô hình điện không dây

Tiến sĩ Katie Hall, Giám đốc Công nghệ Công ty WiTricity (Mỹ) chuyên phát triển công nghệ cộng hưởng không dây đã sốc ngay từ khoảnh khắc đầu tiên chứng kiến một bóng đèn sáng ở giữa căn phòng mà không hề được gắn với bất kỳ dây dẫn nào. Đó chỉ là một thí nghiệm thô sơ, một căn phòng nhỏ đầy những cuộn dây đồng khổng lồ, những thứ bạn có thể thấy ở phía sau của chiếc tủ lạnh. Bà đi qua lại giữa các cuộn dây đồng và chiếc bóng đèn - và chiếc bóng đèn vẫn sáng. Ngay lập tức, Tiến sĩ Hall nhận ra rằng “Đây chính là tương lai. Hãy cùng phát triển điện không dây”.

“Chúng tôi thực sự không đặt điện vào không khí. Những gì chúng tôi đang làm là đặt từ trường vào không khí”, bà nói. Có thể giải thích như thế này, WiTricity xây dựng một “bộ cộng hưởng nguồn” - một cuộn dây điện phát ra từ trường khi có điện.

Nếu có một cuộn dây khác được đưa lại gần, sẽ có điện tích được tạo ra, mà không cần đoạn dây nào cả. “Khi bạn mang một thiết bị vào từ trường, nó tạo ra một dòng điện trong thiết bị, và bằng cách đó bạn có thể truyền điện”, Tiến sỹ Hall giải thích. Chính vì thế, bóng đèn trong thí nghiệm trên đã bật sáng.

Bạn không phải lo lắng về rủi ro điện giật. Hall đảm bảo rằng các từ trường được dùng để truyền năng lượng “hoàn toàn an toàn” - trong thực tế, chúng cũng giống như dạng từ trường được dùng trong các bộ định tuyến Wi-Fi. Và trong ngôi nhà của thời tương lai, việc truyền tải năng lượng không dây có thể thực hiện dễ dàng như internet không dây.

Nếu mọi thứ diễn ra đúng như kế hoạch của WiTricity, Smartphone sẽ sạc ngay trong túi người dùng khi họ đang đi lại chứ không cần cắm vào ổ cắm điện, tivi sẽ phát mà không cần đoạn dây điện nào, và xe ôtô điện sẽ tiếp nhiên liệu trong khi đang chạy trên đường phố.

WiTricity đã trình diễn khả năng sạc điện cho laptop, điện thoại di động và tivi bằng cách gắn các cuộn dây cộng hưởng vào pin. Hall đã nhìn ra tương lai tươi sáng cho các gia đình khi không phải vướng víu vào dây điện. “Chúng ta sẽ không phải nghĩ về nó nữa: tôi sẽ lái xe về nhà và tôi không bao giờ phải vào trạm xăng, không bao giờ phải cắm điện sạc cho xe. Tôi thậm chí không thể hình dung mọi thứ sẽ thay đổi thế nào khi chúng sống trong môi trường điện không dây”.

Ngôi nhà thông minh trong tương lai sẽ không còn dây điện.

Đằng sau những ứng dụng giúp tiết kiệm công sức này, còn là một cánh cửa mở ra một kỷ nguyên mới, không chỉ trong thẩm mỹ kiến trúc mà còn cả khoa học và y tế. Khi Tiến sĩ Hall lần đầu tiên nhìn thấy bóng điện không dây, bà ngay lập tức nghĩ về công nghệ y tế - các thiết bị được cấy dưới da có thể được sạc điện mà không cần chạm vào. Ví dụ như các thiết bị trợ tim.

“Ý tưởng về việc loại bỏ các loại dây sẽ cho phép chúng ta thiết kế lại mọi thứ theo những cách mà chúng ta chưa hề nghĩ đến, điều đó sẽ giúp các thiết bị và mọi thứ mà chúng ta sử dụng trở nên hiệu quả hơn, thiết thực hơn và thậm chí có thể mang nhiều chức năng hơn”, Tiến sĩ Hall nói.

Thách thức hiện nay là tăng khoảng cách mà điện có thể được truyền tải hiệu quả. Theo Tiến sĩ Hall giải thích, khoảng cách này liên quan đến kích cỡ của cuộn dây, và WiTricity muốn hoàn thiện khoảng cách truyền tải điện này. Vì vậy, WiTricity đang hy vọng về một sáng tạo mới: những chiếc pin sạc lại không dây kích cỡ AA. Riêng đối với Tiến sĩ Hall, những ứng dụng này là vô cùng: Đó là khi mọi người sẽ không phải cắm bất cứ gì để nạp điện.

Bước tiến trong công nghệ

Ngành công nghiệp của Nhật Bản để hoạt động đã phải nhập khẩu một lượng lớn nhiên liệu hóa thạch, lượng nhập khẩu này đã tăng vọt từ sau khi ngành công nghiệp điện hạt nhân buộc phải đóng cửa các nhà máy vì lý do an toàn sau thảm hoạ kép Fukushima năm 2011. Do đó việc tìm kiếm các giải pháp cho cuộc khủng hoảng năng lượng luôn được ưu tiên đặt lên hàng đầu.

Mới đây, các nhà khoa học Nhật Bản đã thực hiện được một bước đột phá trong việc truyền tải năng lượng điện không dây. Đây có thể coi là tín hiệu đáng mừng, mở ra khả năng sản xuất điện từ ngoài vũ trụ bằng năng lượng mặt trời và truyền về trái đất. Trong thí nghiệm, các nhà nghiên cứu đã sử dụng sóng viba để cung cấp 1,8 kW (đủ để chạy một ấm đun nước điện) - qua không khí tới một mục tiêu được chỉ định ở khoảng cách 55 mét (170 feet).

“Dù đây không phải là một khoảng cách lớn, nhưng công nghệ này có thể mở đường cho nhân loại để khai thác nguồn năng lượng mặt trời vô tận ngoài vũ trụ và sử dụng nó ở đây trên Trái đất” - một đại diện của Cơ quan Thám hiểm không  gian Nhật Bản (JAXA) cho biết.

Ý tưởng về một vệ tinh cách mặt đất khoảng 36.000km được trang bị những tấm pin mặt trời và tạo ra điện để truyền về Trái đất bằng sóng viba có thể được thực hiện nhờ nghiên cứu này. Nhưng để có thể nhìn thấy công nghệ này được ứng dụng trong thực tế sẽ mất hàng thập kỷ, có thể là những năm 2040 hoặc lâu hơn nữa.

Trong tương lai nhà máy điện năng lượng mặt trời ngoài vũ trụ được thiết kế với hàng trăm vệ tinh bay quanh quỹ đạo Trái Đất. Mỗi vệ tinh có đường kính 1km và hấp thụ được năng lượng mặt trời 24 giờ/ ngày (trong khi ở Trái Đất chỉ khoảng 12 giờ/ ngày). Năng lượng mặt trời sẽ được chuyển thành điện năng ngay trên không gian và truyền về Trái Đất bằng một hệ thống sóng vi ba hoặc bằng tia laser trước khi hòa vào lưới điện.

Trong một ý tưởng truyền tải điện khác, David Criswell của Đại học Houston đã đề xuất việc sử dụng sóng viba để truyền tải điện cho Trái đất từ các nhà máy điện năng lượng mặt trời trên mặt trăng. Hàng chục ngàn máy thu trên trái đất sẽ thu năng lượng này và sẽ chuyển đổi nó thành điện.

Việc sản xuất điện mặt trời ngoài vũ trụ có nhiều ưu điểm so với sản xuất trên Trái đất, trước hết là nguồn năng lượng vô tận và không bị ảnh hưởng bời thời tiết hay thời gian. Được biết chính phủ Nhật Bản đã tài trợ cho dự án nghiên cứu hệ thống điện mặt trời ngoài vũ trụ (SSPS) được khởi động từ năm 2009. Ý tưởng sản xuất nguồn điện từ năng lượng mặt trời trên không gian lần đầu tiên được tiến sĩ Peter Glaser đưa ra vào năm 1968 ở Mỹ và ông được cấp bằng sáng chế vào năm 1973. Dự án được Cơ quan Hàng không và Vũ trụ Mỹ (NASA) và Bộ Năng lượng Mỹ tài trợ. Tuy nhiên, nó sau đó kết thúc vào những năm 1980 vì quá tốn kém.

Tuy nhiên các nhà khoa học Nhật Bản phải giải quyết rất nhiều thách thức để có thể biến ý tưởng này thành hiện thực. “Có một số thách thức phải vượt qua, chẳng hạn như làm thế nào để gửi các cấu trúc lớn vào không gian, làm thế nào để xây dựng chúng và làm thế nào để duy trì chúng”, đại diện của JAXA nói.