Máy bay điện - tương lai xa vời

Giấc mơ về những chuyến bay xanh, êm ru giữa tầng mây mà không để lại dấu chân carbon đã mê hoặc nhân loại hàng thập kỷ. Nhưng sau hình ảnh lãng mạn ấy là thực tế khắc nghiệt: những định luật vật lý bất di bất dịch, bài toán kinh tế nan giải và rủi ro an toàn sinh tử.

Trong khi xe điện tạo nên cơn sốt dưới mặt đất thì trên bầu trời, điện hóa máy bay không hề đơn giản như thay động cơ xăng bằng mô tơ điện. Đây là cuộc đấu tay đôi với ba "kẻ thù truyền kiếp" của hàng không: năng lượng, trọng lượng và nhiệt độ.

"Xe bồn" và "chai nước suối"

Nhiên liệu hàng không (Jet A1) có thể ví như một chiếc xe bồn khổng lồ: mỗi kg chứa khoảng 12.000 đơn vị năng lượng. Trong khi đó, loại pin tốt nhất hiện nay chỉ như một chai nước suối nhỏ, với vỏn vẹn khoảng 250 đơn vị năng lượng trên mỗi kg. Với một chuyến bay dài, cần bao nhiêu chai nước mới thay nổi xe bồn, chưa kể việc chuyên chở chúng sẽ khó khăn thế nào?

Chỉ số được nhắc đến ở đây là mật độ năng lượng theo trọng lượng (Wh/kg) - yếu tố sống còn với những phương tiện cần nhẹ để bay, như máy bay hay tên lửa. Trọng lượng vốn là kẻ thù của ngành hàng không, nên vật liệu nào "nhiều năng lượng mà nhẹ" sẽ thắng thế. 

Jet A1 áp đảo pin với mật độ cao gấp gần 50 lần. Để thay thế hoàn toàn động cơ xăng cho một chiếc A320, công nghệ pin cần phải đạt tới mật độ năng lượng 4.000 Wh/kg, con số viển vông với công nghệ pin hiện tại.

Ngay cả khi tính đến hiệu suất chuyển đổi năng lượng vượt trội của động cơ điện (khoảng 90-95%) so với động cơ tuốc bin khí (chỉ 35-55%), nhiên liệu phản lực vẫn cung cấp năng lượng hiệu quả trên mỗi kilogam cao hơn khoảng 14 lần so với loại pin tốt nhất. 

Điều này có nghĩa để một chiếc máy bay điện có tầm bay và tải trọng tương đương máy bay hiện tại, sẽ phải dùng một lượng pin lớn gấp 14 lần lượng nhiên liệu hiện tại. Khối lượng pin sẽ chiếm một tỉ lệ phi thực tế trong tổng trọng lượng, không còn chỗ cho hành khách hay hàng hóa.

Không chỉ nặng, pin còn rất cồng kềnh. Nhiên liệu hàng không Jet A1 có thể được chứa trong những chiếc cánh mỏng và tối ưu về khí động học. Nhưng pin thì đòi hỏi không gian lớn hơn nhiều, và chưa hay có thể nói là không thể bố trí vị trí phù hợp với công nghệ hiện tại.

Cơn ác mộng tản nhiệt ở độ cao 10.000m

Máy bay dùng nhiên liệu truyền thống càng bay càng nhẹ nhờ tiêu hao nhiên liệu, giúp tăng hiệu quả ở cuối hành trình. Ngược lại, máy bay điện phải mang trọn khối pin từ lúc cất cánh đến khi hạ cánh, không hề giảm đi. 

Điều này tạo nên một "vòng luẩn quẩn trọng lượng": muốn bay xa thì phải thêm pin; thêm pin làm máy bay nặng hơn; máy bay nặng hơn lại đòi hỏi động cơ khỏe và khung thân chắc hơn; mà những thay đổi đó tiếp tục làm tăng trọng lượng, kéo theo nhu cầu… thêm pin nữa. 

Trong nhiều thiết kế hiện nay, pin chiếm tới 30-50% tổng trọng lượng cất cánh - một tỉ lệ gần như bất khả thi cho một chiếc máy bay thương mại vận hành hiệu quả. Đây là điểm yếu chí mạng thứ hai của máy bay điện.

Gánh nặng này không chỉ rơi vào tải trọng hữu ích mà còn làm thay đổi hoàn toàn vị trí trọng tâm của máy bay, đòi hỏi phải thiết kế lại toàn bộ hệ thống đuôi và bề mặt điều khiển để đảm bảo ổn định và an toàn bay. 

Máy bay điện buộc phải trang bị một bộ cánh và động cơ "khủng" để có thể nhấc mình lên khỏi mặt đất với trọng lượng tối đa, nhưng lại hầu như không hoạt động đủ năng lực của mình trong phần còn lại của chuyến bay.

Cuối cùng, dù động cơ điện có hiệu suất 95%, 5% năng lượng thất thoát còn lại vẫn biến thành một lượng nhiệt khổng lồ. Một động cơ 1 megawatt (MW) vẫn tạo ra 50 kilowatt (kW) nhiệt thải, tương đương một lò nướng công nghiệp. Không chỉ động cơ, mà pin và các hệ thống điện tử công suất cao cũng là những "lò sưởi" di động.

Động cơ phản lực truyền thống dùng chính dòng khí thải cực nóng của nó để tống nhiệt ra khỏi máy bay. Máy bay điện không có được sự xa xỉ đó. Nó phải dựa vào các hệ thống tản nhiệt chuyên dụng, bao gồm các bộ tản nhiệt, máy bơm, chất làm mát lỏng. Toàn bộ hệ thống này làm tăng thêm trọng lượng, độ phức tạp và lực cản khí động học. Thử thách càng gay gắt hơn ở độ cao lớn, nơi không khí loãng làm giảm hiệu quả làm mát.

Pin là thành phần nhạy cảm nhất. Nó chỉ hoạt động an toàn trong một dải nhiệt độ rất hẹp. Quá nóng, nó có nguy cơ "thoát nhiệt" - một phản ứng dây chuyền dẫn đến cháy nổ. Quá lạnh (ở độ cao bay hành trình, nhiệt độ có thể xuống dưới -50°C), hiệu suất của nó giảm mạnh. 

Điều này đòi hỏi một hệ thống quản lý nhiệt pin hai chiều, vừa có khả năng làm mát, vừa sưởi ấm - một thách thức kỹ thuật cực kỳ phức tạp và tốn năng lượng.

Của một đồng, công một nén

Giả sử vượt qua được rào cản vật lý, tính khả thi kinh tế của máy bay điện lại đặt ra loạt thách thức mới, phức tạp hơn nhiều so với việc so sánh giá điện và giá nhiên liệu. Nhìn bề ngoài, chi phí năng lượng có vẻ hấp dẫn: điện chỉ bằng khoảng 40% giá nhiên liệu phản lực, và động cơ điện với ít bộ phận chuyển động hứa hẹn bảo trì rẻ hơn. Nhưng bức tranh màu hồng này nhanh chóng sụp đổ khi tính đến chi phí thay pin.

Theo phân tích của chuyên gia hàng không kỳ cựu Bjorn Fehrm trên trang tin hàng không Leeham News and Analysis, bộ pin cho máy bay 19 chỗ có giá 1-1,3 triệu USD và phải thay sau mỗi 1.500-3.000 chuyến bay. 

Khi phân bổ, chi phí pin lên tới 600-800 USD mỗi chuyến - cao hơn nhiều so với bảo dưỡng động cơ tuốc bin (khoảng 200 USD) và đủ để triệt tiêu toàn bộ lợi thế tiết kiệm năng lượng (chỉ khoảng 114 USD). Ngay cả trong kịch bản lạc quan nhất, tổng chi phí vận hành của máy bay điện vẫn có thể cao hơn máy bay truyền thống.

Thêm vào đó, công chúng không nên kỳ vọng giá pin hàng không sẽ giảm nhanh như pin xe điện. Thị trường hàng không nhỏ hơn rất nhiều, không có lợi thế kinh tế theo quy mô, trong khi quy trình chứng nhận an toàn cực kỳ nghiêm ngặt càng đội thêm chi phí cho mỗi bộ pin.

Phát triển máy bay điện không đơn thuần là thay động cơ, mà đòi hỏi một thiết kế hoàn toàn mới từ đầu, với chi phí nghiên cứu và phát triển lên tới hàng tỉ đô la - cuối cùng sẽ đội giá bán. Giá mua ban đầu cao vốn đã là rào cản với các hãng hàng không vốn hoạt động trong biên lợi nhuận mỏng. Nhưng thách thức còn lớn hơn ở hạ tầng sân bay.

Theo Hiệp hội Sân bay quốc tế châu Âu (ACI Europe), một sân bay cỡ trung bình có thể phải tăng nhu cầu điện gấp 5-10 lần vào năm 2050 để phục vụ máy bay điện. 

Trong khi đó, nghiên cứu của Phòng Thí nghiệm năng lượng tái tạo quốc gia Mỹ (NREL) công bố tháng 3-2024 cho thấy: chỉ riêng một vertiport (sân bay cho taxi bay) đã cần công suất sạc tương đương cung cấp điện cho 800 hộ gia đình. 

Điều này đồng nghĩa phải nâng cấp toàn bộ lưới điện địa phương, từ máy biến áp đến đường dây tải điện - một quá trình tốn kém hàng triệu đô la cho mỗi sân bay và mất nhiều năm để triển khai.

Đây là ví dụ điển hình của bài toán con gà và quả trứng: hãng hàng không sẽ không đầu tư nếu sân bay chưa có trạm sạc, còn sân bay cũng chẳng xây trạm sạc nếu chưa thấy nhu cầu từ hãng bay. 

Để phá vỡ vòng luẩn quẩn này, cần sự phối hợp và đầu tư đồng bộ từ chính phủ, cơ quan quản lý, ngành năng lượng ở mỗi quốc gia - thậm chí ở quy mô toàn cầu.

Nhưng đó là khi máy bay điện là phương án duy nhất để chuyển đổi xanh ngành hàng không. Vẫn còn giải pháp khả thi hơn: sử dụng nhiên liệu xanh như SAF hay nhiên liệu hydro.

Bài toán không chỉ một đáp số

Nhiên liệu hàng không bền vững (SAF) có thể sử dụng trực tiếp cho máy bay và hạ tầng hiện có, giúp giảm tới 80% khí thải carbon trong toàn bộ vòng đời. Tuy vậy, rào cản lớn nhất vẫn là chi phí - cao gấp 2-6 lần so với nhiên liệu truyền thống - cùng nguồn cung hiện nay vô cùng hạn chế. 

Trong khi đó, hydro được xem là lựa chọn tiềm năng cho tương lai xa hơn. Với mật độ năng lượng theo trọng lượng cao nhất (33.000 Wh/kg, gần gấp 3 Jet A1 và SAF), hydro không phát thải carbon, nhưng thách thức lại nằm ở mật độ năng lượng theo thể tích rất thấp. 

Ngay cả khi hóa lỏng, hydro vẫn cồng kềnh, đòi hỏi các bình chứa đông lạnh khổng lồ (-253°C), phức tạp, buộc phải thay đổi toàn bộ thiết kế máy bay và xây dựng lại từ đầu hệ thống hạ tầng sân bay.

Khi đặt ba công nghệ cạnh nhau, một sự phân vai khá rõ ràng hiện ra, ít nhất là trên lý thuyết: máy bay điện có tiềm năng nhất ở các chuyến bay cực ngắn; SAF là giải pháp thực tế trong ngắn và trung hạn cho các đường bay trung bình và dài; còn hydro có thể trở thành ứng cử viên sáng giá cho các chuyến bay đường dài trong tương lai xa - nếu vượt qua được những thách thức khổng lồ về lưu trữ và hạ tầng.

Sự thật phũ phàng là không có giải pháp "máy bay điện" toàn diện nào cho toàn bộ quá trình chuyển đổi xanh hàng không. Giấc mơ về những chuyến bay thương mại đường dài, chở hàng trăm hành khách bằng pin, vẫn nằm ngoài tầm với của công nghệ hiện tại và bị giới hạn bởi các định luật vật lý khắc nghiệt.

Con đường phía trước vì vậy không phải là một đại lộ điện thênh thang, mà là một hành trình gập ghềnh: cần sự kiên trì trong nghiên cứu, những khoản đầu tư khổng lồ và cả sự chấp nhận rằng tiếng gầm rú quen thuộc của động cơ phản lực - dù không hoàn hảo và tốt cho môi trường - vẫn sẽ còn vang vọng trong "bản giao hưởng bầu trời" nhiều thập kỷ tới.

Những gã khổng lồ thất bại

Các tập đoàn hàng không lớn đều vấp ngã với bài toán máy bay điện. Airbus từng đặt nhiều kỳ vọng vào dự án E-Fan X - thử nghiệm công nghệ hybrid-điện quy mô megawatt (megawatt-scale propulsion system) trên máy bay phản lực khu vực, nhưng đã hủy bỏ vào năm 2020.

Tại Mỹ, chiếc Eviation Alice (9 chỗ) ban đầu nhắm tới tầm bay 815 km, song sau chuyến bay đầu tiên, công ty phải thừa nhận mọi thứ phụ thuộc vào "tiến hóa của công nghệ pin", và tầm bay thực tế chỉ còn 240-400 km, khi pin đã chiếm tới một nửa trọng lượng máy bay.

Boeing chọn hướng khác: đầu tư 450 triệu USD vào Wisk Aero, công ty phát triển taxi bay tự hành (eVTOL), cho thấy họ tin cơ hội gần nhất không phải thay thế máy bay hiện có mà là thị trường mới - di chuyển hàng không đô thị (UAM).

Ở châu Âu, Pipistrel Velis Electro trở thành máy bay điện đầu tiên được cấp chứng nhận, mở ra thị trường huấn luyện bay nhờ chi phí rẻ và hầu như không gây tiếng ồn, đặc biệt phù hợp với sân bay gần khu dân cư. Nhưng thành công này cũng cho thấy giới hạn: chỉ bay được khoảng 50 phút, tải trọng thấp, hoàn toàn không phù hợp cho đường dài.

Ẩn sau những thử nghiệm ấy là rủi ro chết người từ pin lithium-ion. Khi một cell hỏng, phản ứng dây chuyền có thể khiến nhiệt độ tăng vọt, giải phóng khí dễ cháy và dẫn đến nổ - tương tự các sự cố cháy laptop hay điện thoại, nhưng lần này xảy ra với khối pin nặng hàng tấn trong không gian kín.