Sự kiện

Lâu nay, con người chúng ta đang phụ thuộc quá nhiều vào các nguồn năng lượng hóa thạch, đặc biệt là dầu mỏ. Chính vì lẽ đó, các nhà khoa học không ngừng tìm tòi nhằm thay thế chúng bằng các nguồn năng lượng mới sạch hơn, an toàn và bền vững hơn.

Nguyên liệu hydrogen chính là giải pháp được kì vọng rất nhiều. Tuy nhiên, trước đây, để sản xuất hydrogen, con người cần tới những kim loại quý hiếm như platinium và iridium. Vì vậy, giá thành tạo ra hydrogen là quá lớn.

Nhưng tất cả sẽ trở thành dĩ vãng với thiết bị mới được các chuyên gia thuộc ĐH Stanford chế tạo ra. Đây là một cỗ máy điện phân giúp tách hydrogen ra từ nước với chi phí cực thấp. Nguyên liệu cấu thành thiết bị chỉ bao gồm một niken, sắt và một cục pin 1,5V.

Thiết bị hoạt động liên tục trong 7 ngày mà không gặp vấn đề gì!

Sở dĩ thiết bị điện phân tạo ra được nhiều hydrogen là nhờ cấu tạo của hai điện cực từ oxit niken – sắt. Việc tán nhỏ thành những hạt kim loại ép lại với nhau làm tăng diện tích tiếp xúc trong nước của hai cực. Nhờ đó, hydrogen được sản xuất ra nhiều hơn mà tiêu hao ít năng lượng hơn.Cơ chế hóa học khi điện phân nước

Yi Cui, một giáo sư khoa học và kỹ thuật vật liệu Stanford nhận xét: “Quá trình này tạo ra các hạt siêu nhỏ kết nối mạnh mẽ, vì vậy các chất xúc tác sẽ có độ dẫn điện tốt và ổn định. Hơn nữa sử dụng chất xúc tác bằng niken và sắt còn có ưu thế hơn vì giá thành thấp”.

Haotian Wang, chủ nhân phát minh cho biết: thiết bị điện phân này hoạt động rất ổn định, có thể tự duy trì trong 1 tuần với hiệu suất 82% ở nhiệt độ thường.

Công nghệ Vortex có hình dạng như những chiếc cột chọc thẳng lên trời. Thay vì thu năng lượng thông qua chuyển động quay tròn của cánh quạt, tuabin gió không cánh tạo ra điện năng nhờ chuyển động xoáy, hiện tượng khí động lực sinh ra những cơn lốc xoáy.Công nghệ phong năng mới có hình dạng đơn giản, như những chiếc cột lớn chọc thẳng lên trời. (Ảnh: Vortex)

Hình dáng của Vortex được phát triển bằng công nghệ điện toán nhằm đảm bảo những luồng gió xoáy tác dụng đồng thời trên khắp thân cột. Trong phiên bản đầu tiên, thân cột được làm từ hợp chất của sợi thủy tinh và sợi carbon, cho phép nó chuyển động tối đa. Đáy của cột là hai vòng nam châm trái chiều, hoạt động như một động cơ không sử dụng điện. Khi cột dao động theo một chiều, nam châm sẽ kéo nó theo chiều ngược lại. Động năng này sau đó được chuyển hóa thành điện năng thông qua một máy dao điện.

Về hiệu suất, một chiếc Vortex Mini với chiều cao khoảng 12 m có thể thu được 40% năng lượng gió trong điều kiện lý tưởng (khi sức gió đạt 42 km/h). Theo kết quả thực nghiệm, Vortex Mini thu được ít hơn 30% năng lượng so các tuabin gió hiện tại, tuy nhiên với cùng diện tích đặt tuabin quạt, chúng ta có thể đặt được hai chiếc Vortex.

Những nhà phát triển khẳng định công nghệ có chi phí thấp hơn 51% so với các công nghệ hiện tại do không có bánh răng, bu lông hay các thiết bị chuyển động máy móc, phí bảo trì cũng thấp hơn. Ngoài ra, công nghệ còn có nhiều lợi thế khác như không tạo tiếng ồn và an toàn đối với các loài chim.

Các nhà nghiên cứu dự kiến sản phẩm đầu tiên là một tuabin 100W, cao 2,7 m sẽ được ra mắt vào cuối năm nay.

Vật liệu mới để chế tạo linh kiện điện tử cao cấp thường đắt đỏ và thuộc dạng công nghệ cao. Thế nhưng, một nhóm nghiên cứu ở Pháp mới đây đã cho thấy rằng các thành phần tích trữ năng lượng được gọi là siêu tụ điện, có thể được chế tạo từ một dạng vật liệu rất “bèo” là tảo biển nướng.

Francois Béguin thuộc Trung tâm Nghiên cứu CNRS về chất cách ly ở thành phố Orléans (Pháp) và cộng sự cho biết tảo biển, khi bị đốt cháy thành dạng giống như than, sẽ trở thành vật liệu thích hợp để tạo ra điện cực trong các siêu tụ điện cao cấp, hoạt động tốt không thua vật liệu carbon vốn được dùng trong các thiết bị thương mại. Mildred Dresselhaus, chuyên gia về vật liệu carbon ở Viện Công nghệ Massachusetts (MIT – Mỹ) chỉ ra rằng vỏ dừa đã được dùng làm carbon xốp để sản xuất thiết bị lọc nước và cho các ứng dụng khác. Polymer có nguồn gốc từ tảo biển mà Béguin tạo ra (được gọi là alginate) không độc hại và đã được sử dụng như chất làm đặc trong thực phẩm và mỹ phẩm. Mỗi năm 20.000 tấn alginate được chiết xuất từ tảo biển nên giá rất rẻ.

Siêu tụ điện thay thế cho pin trong việc lưu trữ điện năng trong các thiết bị điện tử di động. Nó gồm một cặp bản, hay điện cực, mang điện tích có thể được ngắt/mở, tạo ra dòng điện. Các tụ điện có thể cung cấp nhiều điện năng hơn – dòng điện hay điện thế cao hơn – so với pin, nhưng tích trữ tổng lượng điện năng ít hơn. Chúng có thể được ứng dụng làm nguồn năng lượng khẩn cấp cho máy tính hay nguồn năng lượng bổ trợ trong xe điện, chẳng hạn chúng có thể tích trữ năng lượng thu được trong quá trình thắng xe.

Lượng điện năng tích trữ trong tụ điện phụ thuộc vào điện tích trên các điện cực. Nhiều siêu tụ điện hiện tại có điện cực được làm từ một dạng xốp của vật liệu giống như than chì, được gọi là than hoạt tính – có giá rẻ và có thể tích trữ điện tích. Tuy nhiên, tính xốp lại là nhược điểm do tích trữ nhiều điện tích trong một chất liệu có mật độ thấp đòi hỏi khối lượng vật liệu lớn, điều này không thích hợp khi ứng dụng vào những thiết bị điện tử nhỏ gọn.

Cái mà Béguin và đồng nghiệp thật sự cần là dạng carbon tương đối dày, dẫn điện và có khả năng tích trữ lượng điện năng lớn. Các nhà nghiên cứu nghĩ rằng cellulose (chất xơ thực vật) có thể thích hợp bởi nó chứa nhiều nguyên tử ôxy trữ điện nhưng hầu hết ôxy đều không còn khi đốt nóng cellulose. Sau đó họ nghĩ đến alginate, thành phần có thừa trong tảo biển nâu, rất giống cellulose về mặt hóa tính nhưng có thể giữ ôxy khi bị đốt nóng.

Nhóm nghiên cứu người Pháp đã nấu alginate ở một khu rào kín không có không khí để biến nó thành loại bột đen. Kế tiếp, họ kết hợp bột này với chất polymer để tạo ra vật liệu cứng mà họ tạo dáng thành các điện cực để sử dụng cho siêu tụ điện. Lượng điện tích và năng lượng mà những thiết bị này có thể tích trữ tương đối ngang bằng với các tụ điện được làm từ than hoạt tính. Tuy nhiên, những tụ điện bằng tảo biển có thể được nạp mức điện thế cao gấp hai lần mà không bị vỡ, do loại vật liệu này dày gấp đôi. Bên cạnh đó, nó cũng có độ bền cao, và lượng điện tích trữ của nó giảm chỉ 15% sau mỗi chu kỳ 10.000 lần sạc. Béguin cho biết sẽ nhanh chóng thương mại hóa loại vật liệu này và một số công ty tỏ ra quan tâm đến công nghệ này.

Tìm hiểu các bộ phân tích, hệ thống máy tính… trải rộng trong một chu vi 27 km thuộc dự án Máy gia tốc hạt khổng lồ LHC, nguời xem sẽ hiểu thêm về hoạt động của cỗ máy đắt tiền nhất hành tinh mà con người tạo ra.

Tìm hiểu về cỗ máy lớn nhất lịch sử nhân loại

Quan sát từ vũ trụ, các nhà khoa học nhận thấy những vật chất thông thường như giải thiên hà, ngôi sao và hành tinh chỉ chiếm có 4% vũ trụ. Phần còn lại là vật chất đen (23%) và năng lượng đen (73%). Các nhà vật lý tin rằng, Dự án Máy gia tốc hạt khổng lồ (Large Hadron Collider – LHC) có thể hé mở cánh cửa vào những khoảng trống về nhận thức này.

Mục đích chính để xây dựng nó là phá vỡ những giới hạn và lý thuyết cơ bản hiện thời của vật lý hạt. Người đứng đầu CERN, nhà vật lý Pháp Robert Aymar cho biết: “Các phát hiện từ dự án trị giá 6,4 tỷ Euro (9,2 tỷ USD), quy tụ những nhà nghiên cứu từ 50 nước sẽ đem lại những tiến bộ khoa học lớn chưa từng có”.

Cỗ máy LHC bắt đầu chạy thử từ năm 2008, nhưng bị hỏng sau vài ngày vì rò rỉ khí heli. Sau khi sự cố được khắc phục, nó vận hành trở lại. Nhưng trong mấy ngày đầu tháng 11/2009, cỗ máy lại hỏng do nhiệt độ trong nhiều bộ phận tăng đột ngột. Đến nay, công việc sửa chữa hoàn tất. Hạt proton đầu tiên đã đi hết một vòng đường hầm dài 27km này.

Cấu tạo cỗ máy LHC

Cỗ máy khổng lồ LHC chứa hơn 1.000 nam châm khổng lồ để dẫn hướng hạt proton trong đường ống của cỗ máy, với tốc độ 11.000 vòng/giây, gần bằng tốc độ ánh sáng.

Khu vực biên giới Thụy Sĩ và Pháp với ba vòng tròn. Vòng nhỏ nhất (ở dưới bên phải) là Synchrotron Proton, vòng giữa là Super Proton Synchrotron (SPS) với chu vi 7 km và vòng lớn nhất LEP, với một phần của hồ Geneva có chu vi 27 km. LHC có thể gia tốc hạt đạt năng lượng 14 TeV (14.000 tỷ electron volt).

Sơ đồ vị trí đặt các bộ Phân tích trong Đường hầm dài 27km. Hiện LHC hoạt động ở mức năng lượng 3,5 TeV. Đó mới chỉ là nửa mức công suất thiết kế nhưng đã cao hơn ba lần rưỡi máy gia tốc hạt lớn thứ hai thế giới là Tevatron của Mỹ.

Hệ thống nam châm của máy được làm nguội bằng helium lỏng. Chiếc máy được ở độ sâu 100 m dưới mặt đất tại khu vực biên giới Pháp – Thụy Sĩ. Đường hầm có đường kính 3,8 m, có cấu trúc bê tông và được xây dựng từ năm 1983 đến 1988.

Sáu bộ phân tích (detector) đã được xây dựng trong hệ thống của LHC, nằm trong những hang lớn bên dưới mặt đất được đào tại các điểm giao của LHC. Hai bộ trong số đó là ATLAS (máy dò vật chất đen) và Compact Muon Solenoid (CMS) (máy dò hạt Higgs, “hạt của Chúa“) là những bộ phân tích hạt đa mục đích có kích thước lớn. Hai bộ A Large Ion Collider Experiment (ALICE) và LHCb có các chức năng riêng biệt hơn có nhiệm vụ tìm hiểu khoảnh khắc sau các “bản sao” vụ Big Bang và dò tìm các phần tử phản vật chất. Hai bộ còn lại nhỏ hơn nhiều là TOTEM và LHCf, dành cho các nghiên cứu chuyên môn đặc biệt khác.

ATLAS – một trong hai bộ phân tích đa mục đích, sẽ được sử dụng để tìm kiếm những dấu hiệu vật lý học mới, bao gồm nguồn gốc của khối lượng và các chiều phụ trợ. Các máy dò ATLAS có chứa một loạt dày đặc các trụ đồng tâm, nơi có sự tương tác của chùm proton va chạm.

Giống với ATLAS, Compact Muon Solenoid (CMS) sẽ lùng sục các hạt Higgs và tìm kiếm những manh mối về bản chất của vật chất tối. Trong hình là phía bên trong “trái Tim” của máy CMS.

ALICE sẽ nghiên cứu một dạng “lỏng” của vật chất gọi là quark-gluon plasma, dạng tồn tại rất ngắn sau Vụ nổ lớn.

LHCb – so sánh những lượng vật chất và phản vật chất được tạo ra trong Vụ nổ lớn. LHCb sẽ cố gắng tìm hiểu chuyện gì đã xảy ra đối với phản vật chất “bị thất lạc”. LHCb rất lớn, 6X7 mét vuông bao gồm 3.300 khối chứa scintillator, sợi quang học và chì. Nó sẽ đo năng lượng của các hạt được sản xuất trong va chạm proton-proton.

TOTEM – đo kích thước của proton và LHC’s luminosity (tạm dịch: độ sáng máy gia tốc hạt lớn). Trong vật lý lượng tử, độ sáng ảnh hưởng đến độ chính xác của máy gia tốc hạt lớn trong việc tạo xung đột.

LHCf – nghiên cứu tia vũ trụ xuất hiện tự nhiên.

Hệ thống máy tính

Hệ thống tính toán phục vụ dự án LHC cũng là mạng lưới máy tính lớn nhất thế giới. Những vụ va đập của các photon lưu vào máy tính với dung lượng 15 terabyte dữ liệu mỗi năm. Phần lớn dữ liệu sẽ được lưu trong các cơ sở dữ liệu của Oracle và một số hệ thống lưu trữ thương mại.

Vai trò của mạng máy tính mà CERN thiết lập là tập hợp sức mạnh tính toán và lưu trữ rộng lớn để cung cấp cho các nhà khoa học khả năng truy xuất dữ liệu và công cụ tính toán khi cần. Những địa chỉ nằm trong lưới này còn có các trường đại học và trung tâm nghiên cứu từ Nhật Bản cho đến Canada, cộng với hai phòng thí nghiệm của HP. 

Tất cả hệ thống tính toán đóng góp sức mạnh với tổng số hơn 10.000 bộ vi xử lý và hàng trăm triệu gigabyte băng từ và đĩa lưu trữ. Thông tin về sự va chạm các chùm hạt trong máy gia tốc được gửi đến tất cả các trung tâm nghiên cứu tại Châu Âu, Châu Á và Mỹ để lưu giữ và xử lý dữ liệu.

Nhiều bí ẩn của vật lý và vũ trụ là mục tiêu của thí nghiệm. Tác động của thí nghiệm LHC sẽ lớn hơn cả việc lên mặt trăng lần đầu tiên. Thật khó đoán hết lợi ích thực tế của dự án này.

Nhiệm vụ nặng nề của cỗ máy hàng tỷ USD

Các chuyên gia thuộc Cơ quan điều hành LHC là Tổ chức Nghiên cứu Hạt nhân Âu châu (CERN) ước tính chi phí sửa chữa và các chi phí an toàn khác liên quan tới LHC vào khoảng 37 triệu USD. Số tiền này lấy từ ngân sách của 20 quốc gia có liên quan. Hiện, chưa có quốc gia nào thuộc thành viên của CERN bày tỏ thái độ phản đối dự án LHC.Đây là phần bên trong lõi của máy LHC. Hơn 15 nước cung cấp kinh phí cho dự án chế tạo máy gia tốc hạt lớn. Hơn 8.000 nhà khoa học cùng hàng trăm trường đại học và phòng thí nghiệm đã tham gia thiết kế cỗ máy

Với máy gia tốc hạt siêu mạnh LHC, các nhà khoa học có thể nghiên cứu các hạt ở kích cỡ 1/10 tỷ tỷ mét, đo đạc được các khoảng thời gian 1/10 triệu tỷ tỷ giây. “Chúng ta sẽ biết vũ trụ có gì ở 1/1.000.000 của 1 giây ngay sau Big Bang và đó là điều thật kỳ diệu”, nhà vật lý Robert Aymar nói.

Việc kiểm tra được thực hiện trên đoạn nam châm trong đường hầm LHC. Điều quan trọng là mỗi nam châm phải được đặt thật đúng vị trí nó đã được thiết kế để đường đi của chùm hạt được kiểm soát một cách chính xác.

Mục tiêu của thí nghiệm còn là để tìm “hạt Higgs”, một loại hạt cơ bản thuộc nhóm hạt hạ nguyên tử (nhỏ hơn nguyên tử), chính là loại hạt tạo ra khối lượng cho vật chất và tạo nên vũ trụ. Tên loại hạt được đặt theo tên nhà vật lý Scotland, Peter Higgs, người đã tính toán sự tồn tại của loại hạt này. Trong khi mọi người gọi là hạt Higgs thì Peter Higgs gọi là hạt của Chúa (God particle).

Ngoài ra, còn nhiều bí ẩn của vật lý và vũ trụ, trong đó có siêu đối xứng, vật chất đen, năng lượng đen… , những bí ẩn chưa có lời giải đáp ẩn chứa trong các chiều không gian mà LHC có nhiệm vụ khám phá, (phần lớn hạt cơ bản không thấy được đều để lại dấu vết sau va chạm nhưng một số hạt không bị phát hiện vì có thể chúng di chuyển theo những… chiều dư của không gian, cũng như tạo ra vật chất tối vô hình).

Một bộ phận trong giày được thiết kế để tạo ra điện từ hoạt động đi bộ hay chạy của con người, cung cấp năng lượng cho bộ phận cảm biến hay thiết bị điện tử khác.

Cùng được tích hợp trong giày, một thiết bị sẽ tạo ra năng lượng khi gót chân người đi chạm đất. Trong khi đó, thiết bị còn lại sinh năng lượng khi chân chuyển động nhịp nhàng và tiến về phía trước như đi bộ hay chạy.

“Cả hai thiết bị đều dựa theo một nguyên tắc là cảm ứng điện từ”, Klevis Ylli, nhà nghiên cứu của Viện vi chế tạo và Công nghệ thông tin của Đức, cho hay. Mỗi thiết bị chứa một cuộn dây và các lớp nam châm xếp chồng. Khi con người đi bộ hay chạy, nam châm chuyển động và khiến từ trường bên trong cuộc dây biến thiên. Từ trường thay đổi tạo ra điện bên trong dây dẫn. Chúng có thể kết nối và cung cấp điện cho các bộ phận điện tử gắn ngay trong giày.

Thiết bị thu ban đầu dài 70mm, rộng 19,5mm và cao khoảng 15mm. Nó chỉ nặng 25g, do đó người đi giày sẽ không cảm nhận thấy sức nặng. Thiết bị còn lại lớn hơn, nặng 150 gram và được phát triển với ứng dụng khác là cung cấp điện cho hệ thống định vị trong nhà (thay thế hệ thống định vị GPS). Cảm biến xác định tốc độ di chuyển của chân người và từ dữ liệu này, hệ thống định vị có thể tính toán con đường mà chúng ta đã đi.

Theo kết quả thử nghiệm gần đây, chuyển động đi bộ của một người tạo đủ năng lượng cho hoạt động của cảm biến nhiệt độ (gắn trong giày) và một máy phát không dây. Bộ phận phát này sẽ truyền dữ liệu từ cảm biến về một chiếc điện thoại thông minh.

Trong tương lai, các nhà khoa học hy vọng chúng có thể được sử dụng để tạo ra các sản phẩm mặc được hay mang theo trên người mà không bao giờ cần đến bộ sạc pin.