Nhóm nghiên cứu tạo ra động cơ phản lực vi sóng kết hợp plasma, mong muốn thay thế động cơ máy bay hiện tại

Dựa trên bài viết của nhà vật lý học Chris Lee, đăng tải trên Arstechnica.

Tôi thường đọc các báo cáo khoa học về động cơ tên lửa thay thế động cơ đốt với một mức độ hoài nghi nhất định. Nhưng cuối cùng, cũng xuất hiện một nghiên cứu về động cơ đẩy vi sóng không đặt nền móng trên những khái niệm vật lý bất khả thi. Thay vào đó, nó ứng dụng công nghệ động cơ đẩy plasma xưa cũ.

Động cơ đẩy plasma vẫn thường được coi là cách thức đẩy tàu không gian trong tương lai, nhưng giờ đã xuất hiện một thiết bị được thiết kế để vận hành trong môi trường khí quyển. Theo lời các nhà nghiên cứu có liên quan, thì động cơ đẩy plasma không khí này có tiềm năng tạo ra sức đẩy tương đương với động cơ phản lực thông thường.

Không khí dễ cháy?

Nói ngắn gọn, động cơ phản lực chỉ là một dạng động cơ đốt trong: nén thật chặt tổ hợp của nhiên liệu và không khí lại. Hoạt động đánh lửa sẽ đốt cháy tổ hợp khí gas (với đa số thành phần là nitro, thứ khí vốn không thể cháy), ép cho nó nở ra với tốc độ kinh hoàng. Khí gas tăng thể tích sẽ khiến quạt chạy, tạo ra lực đẩy hoặc trực tiếp cung cấp lực đẩy.

Nhưng điểm mấu chốt là cần tăng nhiệt độ khí gas lên vừa nhanh, vừa cao để nó có thể nở ra với tốc độ cần thiết. Nhiên liệu cho động cơ phản lực chỉ là nguồn năng lượng tạo ra nhiệt làm nóng khí gas.

Công nghệ của thời động cơ hơi nước cũng dựa trên khái niệm tương tự, và kể cả turbine hơi nước hiện đại cũng vậy. Điểm mấu chốt vẫn là đưa toàn bộ số năng lượng có được vào khí gas để chúng có thể nở ra nhanh chóng. Tuy nhiên, động cơ hơi nước là động cơ đốt ngoài, nước được làm nóng trước khi chảy vào hệ thống.

Trong báo cáo nghiên cứu mới, nhóm các nhà khoa học mô tả một loại động cơ đốt plasma trong/ngoài. Ý tưởng cơ bản là đây: ion hóa không khí để có được plasma, nó nóng lên và nở ra nhanh chóng, tạo ra lực đẩy.

Để làm được điều này, các nhà nghiên cứu sử dụng một magnetron để tạo ra vi sóng công suất lớn (khoảng 1kW). Vi sóng đi dọc một ống dẫn sóng (một ống kim loại hình vuông) hẹp dần và rồi lại rộng ra. Các nhà nghiên cứu đặt một ống quartz vào lỗ trống tại khoảng hẹp của ống dẫn sóng. Không khí bị ép qua ống quartz, đi qua phần hẹp của ống dẫn sóng và thoát ra ở đầu kia của ống quartz.

Tại đầu vào của ống quartz, không khí đi qua các điện cực, khiến electron trong một số nguyên tử (đa số là nitro và oxy) văng ra, tạo ra plasma có nhiệt độ và áp suất thấp. Sau đó, áp suất không khí từ điểm vào của ống quartz đẩy plasma vào ống dẫn sóng.

Trong ống dẫn sóng, các hạt mang điện bên trong plasma bắt đầu dao động, tương tác với trường vi sóng và đồng thời nóng lên nhanh chóng. Các ion, nguyên tử và electron liên tục va chạm, lan tỏa năng lượng từ ion và electron tới các nguyên tử trung tính, nhiệt độ plasma tăng lên nhanh chóng.

Kết quả: các nhà nghiên cứu tuyên bố plasma tăng tới nhiệt độ 1.000 độ C.

Và lực đẩy xuất hiện

Plasma nóng tạo ra một ngọn lửa như đèn khó; khí gas nóng thoát ra khỏi ống dẫn sóng và tạo ra lực đẩy. Đo đạc áp lực khí gas (tức là lực đẩy) hóa ra khó không tưởng; đa số các cảm biến áp lực và phong vũ biểu không ưa thích nhiệt độ cao toát ra từ plasma chút nào.

Cách thức các nhà nghiên cứu đo lực đẩy.

Khó khăn ép các nhà nghiên cứu phải sáng tạo. Họ đóng ống quartz lại bằng một khối cầu thép rỗng với một lỗ nhỏ trên bề mặt chứa một bi thép. Nếu lực đẩy plasma đủ cao, nó sẽ khiến khối cầu rung lên trên đầu ống quartz. Khi khối cầu đủ nặng, nó sẽ nằm yên trên đầu ống. Các nhà nghiên cứu ước tính tổng lực đẩy tạo ra bởi khí gas bằng cách cân bằng nó với lực hấp dẫn tác động lên khối cầu. 

Cuối cùng, đội nghiên cứu đo được lực đẩy khoảng 28N/kW, cũng tương đương với động cơ turbine phản lực cánh quạt (tôi tính được lực đẩy của động cơ hiện đại vào khoảng 15N/kW). 

Câu hỏi đặt ra: quy mô hệ thống có thể lớn tới đâu. Với dòng không khí ổn định (khoảng 1m³/h) và công suất vi sóng (khoảng 1kW) như trong thử nghiệm, thì quy mô khá ổn. Nhưng dòng không khí trong hệ thống thấp hơn động cơ kích cỡ quy chuẩn khoảng 15.000 lần, lực đẩy cũng phải tăng quy mô lên khoảng 4 lần (tức là công suất cũng phải tăng theo). 

Tôi cũng tin rằng các nhà nghiên cứu cũng đưa ra những dấu hiệu cảnh báo trong báo cáo khoa học rồi, mà đọc kỹ cũng thấy có vài dữ liệu còn thiếu. Ví dụ, với công suất vi sóng cao nhất, chỉ thấy tỷ lệ dòng không khí chảy thấp mới được đo, khi công suất vi sóng ở mức thấp, nhóm nghiên cứu tiến hành đo đạc mọi tỷ lệ dòng không khí. Tôi đồ rằng plasma không ổn định ở trạng thái dòng chảy mạnh và công suất lớn.

Bạn có thể nghĩ rằng công nghệ này sẽ giảm khối lượng động cơ xuống, nhưng tôi lại không dám chắc vậy đâu. Nếu như động cơ đẩy plasma trở thành một phần của hệ thống động cơ turbine phản lực cánh quạt, tôi nghĩ nó còn làm cho hệ thống động cơ nặng hơn nữa. 

Dù gì đi nữa, đây vẫn là công trình nghiên cứu rất thú vị, và tôi mong nó sẽ thành hiện thực.