Tác giả: Pete N.
Khi còn nhỏ, tôi thích xem những phim khoa học giả tưởng và chơi những trò chơi có các thành phố bay, tàu vũ trụ có thể di chuyển trong thiên hà và công nghệ thì giống như là ma thuật.
Như bạn đã biết, những thứ trên vẫn chưa thành hiện thực. Tại sao?
Năng lượng.
Khi tôi đang viết bài này trên máy tính vào buổi tối, sưởi ấm phòng mình bằng nguồn điện đến từ một trạm phát điện, thì chúng ta vẫn chưa có những tiến bộ công nghệ như được mô tả trong những tác phẩm khoa học giả tưởng hoặc như giấc mơ của tôi khi còn nhỏ. Và năng lượng có lẽ là lý do lớn nhất khiến chúng ta chưa được sống trên trời. Nó trở thành một trở ngại lớn đối với trí tưởng tượng và tài năng của con người.
Vậy làm sao để chúng ta thay đổi? Làm sao để khiến giấc mơ của Pete bé nhỏ thành hiện thực?
Một mặt trời nhỏ.
Trong tương lai, sẽ có rất nhiều mặt trời nhỏ khắp trái đất. Và chúng ta sử dụng chúng như những chiếc máy tạo ra năng lượng, tạo ra những công trình vĩ đại và chinh phục hệ mặt trời, thậm chí còn hơn thế nữa. Mọi người đều có thể sở hữu một mặt trời nhỏ! Nhưng từ từ đã… cái gì cơ…như thế nào?
Tôi chắc rằng bạn biết về năng lượng hạt nhân. Nhưng bạn có biết rằng có 2 loại phản ứng hạt nhân?
Đầu tiên là phân hạch (fission), đây là loại mà đang được sử dụng rộng rãi khắp thế giới. Phân hạch có nhiều tiếng xấu và có lẽ là lý do giải thích cho việc nó chỉ chiếm 10% tổng năng lượng được sản xuất toàn cầu. Nhưng nó hoạt động như thế nào?
Các nhà khoa học sử dụng một vật chất phóng xạ nặng, thường là Uranium-235 và chia tách các nguyên tử của nó bằng cách cho chúng va chạm với neutron. Sau khi các nguyên tử được tách ra, chúng tạo ra rất nhiều năng lượng và neutron. Những neutron này lại được va chạm với các nguyên tử khác và chuỗi phản ứng bắt đầu, mang lại cho chúng ta nguồn năng lượng cần thiết.
Mặc dù nó không tạo ra hiệu ứng nhà kính, thì phân hạch vẫn không phải là một nguồn năng lượng hoàn hảo. Một khi phản ứng được bắt đầu, thì việc duy trì và kiểm soát nó rất tốn kém và vẫn còn là một thách thức lớn, với kết quả cuối cùng là rác thải phóng xạ vốn cực kỳ nguy hiểm trong hàng ngàn năm. Chưa kể đến những rủi ro có thể xảy ra. Chúng ta biết điều này do những thảm họa như Chernobyl và Fukushima. Thật không may là đôi lúc sai lầm lại xảy ra.
(ảnh 1)
Phân hạch rất thú vị, nhưng có vẻ như không ai muốn tiếp tục đi sâu tìm hiểu về nó. Toàn bộ lĩnh vực này bị hủy hoại bởi chính trị và những lo ngại. Tuy nhiên, nó vẫn có một vài sự phát triển khá hay, nhưng tôi sẽ để dành ở bài khác.
Chúng ta sẽ nói tiếp về loại thứ hai. Nó giống như ma thuật vậy.
Dung hợp. (Fusion)
Chúng ta biết được về dung hợp lần đầu tiên vào thập niên 1930 khi nó được kết luận là nguồn năng lượng của mặt trời. Kể từ đó, các nhà khoa học khắp thế giới đã tìm cách để tái tạo lại quá trình này, tại trái đất.
Nếu như các nguyên tử được chia tách ra ở phân hạch. Thì ở dung hợp, chúng được gắn vào nhau. Mặc dù nghe rất đơn giản, nhưng thực tế quá trình này phức tạp. Mặt trời tạo ra những phản ứng dung hợp liên tục, cộng thêm rất nhiều Hydro ở nhiệt độ cực kỳ cao. Nhưng việc tái tạo lại quá trình này đã trở thành một thách thức khoa học lớn nhất hiện nay.
Vậy chúng ta bắt đầu ở đâu? Nhiên liệu.
Phần lớn các nhà khoa học đồng ý rằng chúng ta sẽ sử dụng hai Hydro đồng vị – Deuterium và Tritium. Deuterium vô hại và gần như là vô hạn – nó có được lấy ra từ mọi hình thái của nước. Một khối vuông nước biển có chứa 33 gam Deuterium. Nó gần như có ở khắp nơi!
Nhưng Tritium thì lại là chuyện khác. Nó là một hydro phóng xạ phân rã rất nhanh và chỉ tồn tại rất ít trong tự nhiên. Chỉ có khoảng 20kg của vật chất này trên thế giới và rất khó để sản xuất. Tin tốt là chúng ta chỉ cần một lượng rất nhỏ và các nhà khoa học tin rằng quá trình phản ứng dung hợp có thể tự tạo ra Tritium, khiến nó trở thành một quy trình tự ổn định.
Tại sao nhiên liệu này lại đặc biệt? Về lý thuyết, sử dụng 1kg nguyên liệu dung hợp tương đương với việc đốt 1 triệu kg nguyên liệu hóa thạch. Để tôi nhắc lại. 1kg = 1 TRIỆU kg. Rất là kinh khủng.
Khi đã có trong tay cả hai thành phần, thì chúng ta cần dung hợp chúng. Đây mới là thử thách thực sự…
(ảnh 2)
Do chúng ta không có được áp lực đủ lớn được tạo ra bởi trọng lực của mặt trời, nên mọi việc phải được làm khác đi. Để các thành phần gắn kết với nhau, chúng ta phải tạo ra được điểm nóng nhất trong hệ mặt trời, duy nhiệt độ ở mức thấp nhất là 100 triệu độ C. Và một lò phản ứng ở Trung Quốc vừa đạt được thành tích ấn tượng này! Đây là mức gấp 6 lần so với nhiệt độ mặt trời. Nghe rất là điên, phải không? Chúng ta đã tự tạo ra được điểm nóng nhất trong hệ mặt trời. Và đó mới chỉ là khởi đầu.
Không những phải duy trì mức nhiệt này, mà chúng ta còn phải cô lập các thành phần (đã trở thành các plasma cực kỳ nóng) trong lò phản ứng khỏi từ trường để quá trình phản ứng có thể tiếp tục và giữ cho tường của lò phản ứng không bị tan chảy. Các nhà khoa học hiện đang đưa ra rất nhiều thiết kế lò phản ứng, mẫu nổi bật nhất được gọi là Tokamak. Và Pete bé nhỏ lại cảm thấy phấn khích, bởi nó giống như được lấy trực tiếp từ những bộ phim khoa học giả tưởng.
(ảnh 3)
Hãy giả định rằng chúng ta đã thành công. Thì dung hợp sẽ thay đổi cuộc sống như thế nào?
Toàn bộ nền văn minh của chúng ta dựa vào các nguồn năng lượng. Từ thức ăn, nước, cho đến nhiệt độ bạn cần để sống thoải mái đều phải tốn năng lượng để làm ra và vận chuyển. Với dung hợp, thì nước sạch sẽ có mặt ở MỌI NƠI do các nhà mày xử lý nước đã trở nên rẻ hơn và chúng ta có thể chuyển một lượng lớn nước biển thành nước dùng. Chúng ta có thể tiêu diệt việc thiếu nước, nạn đói, và thậm chí cả nghèo đói.
Chi phí để khai thác các nguyên liệu thô, xử lý và sản xuất sản phẩm sẽ ngay lập tức giảm xuống rất thấp. Người lao động sẽ không còn phải làm việc trong những môi trường tệ hại để đào than từ đất nữa. Bạn lo lắng về ô nhiễm và khí thải CO2? Đừng lo nữa, bởi vì dung hợp rất rẻ, sạch và không tạo ra khí thải. Các dự án khổng lồ như phủ xanh sa mạc Sahara? Không thành vấn đề. Chúng ta có thể làm điều đó với dung hợp. Đây thực sự sẽ trở thành công nghệ giúp thay đổi con người theo những cách không thể tưởng tượng được.
Dung hợp cũng là bệ phóng cho du hành vũ trụ. Hiện tại, trở ngại lớn nhất là chi phí – để ra khỏi trái đất tốn hàng tỷ đô. Đây là lý do mà cho đến nay, lĩnh vực này chủ yếu vẫn đang nằm trong tay của chính phủ. Chi phí tăng cao vì nhiều lý do, thiếu khả năng tái sử dụng là một trong số đó, nhưng trở ngại lớn nhất là giới hạn về tải trọng của tên lửa hiện đại. 90% trọng lượng của tên lửa hiện nay nằm ở bộ phận đẩy. Khi so sánh với bất kỳ phản ứng hóa học, thì dung hợp hạt nhân tạo cung cấp nhiều năng lượng nhất tính trên đơn vị vật chất, cho phép các tàu vũ trụ sử dụng năng lượng dung hợp có thể mang ít nguyên liệu và nhiều hàng hóa khác hơn. Nếu như chúng ta kiểm soát tốt năng lượng phản ứng dung hợp, thì việc tách bộ phận đẩy ra khỏi tàu sẽ diễn ra với tốc độ rất nhanh. Các tàu sử dụng năng lượng dung hợp sẽ có những khả năng không tưởng so với hiện nay – một tàu chờ người có thể đi đến Europa và sao Mộc chỉ trong vòng vài trăm ngày, hoặc một vệ tinh nhân tạo có thể du hành đến những vì sao khác trong vòng vài thế kỷ thay vì vài thiên niên kỷ. Một chuyến đi đến sao Hỏa chỉ mất từ 1 đến 3 tháng (chưa bằng ½ thời gian hiện nay). Một khi kiểm soát được năng lượng dung hợp, thì việc khai thác ngoài vũ trụ, du lịch không gian, hệ thống đẩy laser và những ý tưởng điên rồ khác sẽ trở thành hiện thực. Tôi thực sự rất phấn khích!
Để loài người tiến hóa chúng ta cần chinh phục được sức mạnh của tự nhiên và thay đổi nó. Tôi hy vọng mình sẽ sống đủ lâu để thấy con người chinh phục được năng lượng mặt trời.
Hiện tại chúng ta đang ở đâu?
Mọi bài viết về dung hợp đều nhại lại một câu đùa về lĩnh vực này. Tôi sẽ không nhắc lại nó, bởi vì tôi cho rằng làm như thế sẽ khiến năng lượng dung hợp giống như một vấn đề không thể giải quyết. Tôi thì không nghĩ như vậy.
Có một sự hiểu lầm rất lớn do việc nghiên cứu dung hợp đã kéo dài được hơn 70 năm và chưa đưa vào hoạt động được một lò phản ứng nào, nên nó sẽ không bao giờ xảy ra. Nhưng tốc độ mà các nhà khoa học đã cải tiến và tăng cường thời gian phản ứng và năng lượng tạo ra đã đạt đến tỷ lệ trong định lý Moore về thiết kế bộ xử lý máy tính. Với những sự đầu tư lớn trên khắp thế giới và tốc độ nghiên cứu được đẩy nhanh, dung hợp xứng đáng nhận được nhiều hơn sự chú ý và tình cảm so với hiện nay.
Chúng ta có lẽ sẽ được nhìn thấy một lò phản ứng đi vào hoạt động và tạo ra năng lượng và tận dụng những lợi thế nó tạo ra cho con người trong tương lai không xa. Khoa học thật tuyệt vời.