Hiện nay, máy bay gần như hoàn toàn phụ thuộc vào nhiên liệu phản lực. Giải pháp thay thế bằng pin lại quá nặng. Để thay thế 70 tấn nhiên liệu phản lực bằng pin lithium-ion, một chiếc máy bay sẽ cần khoảng 3.500 tấn pin.
Nói cách khác, nó thậm chí không thể cất cánh. Pin nhiên liệu từ lâu được xem là lựa chọn khác, nhưng chúng cũng quá nặng để dùng cho máy bay. Nay điều đó có thể sắp thay đổi. Một nhóm nghiên cứu từ DTU Energy và DTU Construct thiết kế lại pin nhiên liệu bằng công nghệ in 3D.
Thay vì xếp chồng các pin nhiên liệu truyền thống nặng, phẳng, làm từ nhiều bộ phận kim loại, họ tạo ra một cấu trúc gọi là “gyroid”. Hình dạng này, được tìm thấy ở cánh bướm, được sử dụng trong kỹ thuật tiên tiến, có diện tích bề mặt lớn, rất chắc chắn và vẫn nhẹ.
Bằng cách thiết kế pin nhiên liệu hoàn toàn bằng ceramic và sử dụng công nghệ in 3D theo hình dạng gyroid, nhóm nghiên cứu tạo ra thứ gọi là “pin oxide rắn gyroidal nguyên khối”, hay gọi tắt là “nguyên khối” (Monolith). Nghiên cứu được công bố trong một bài báo trên tạp chí Nature Energy.
Điều làm nên sự đặc biệt của Monolith chính là hiệu suất so với trọng lượng của nó. Nó cung cấp hơn 1 watt điện trên mỗi gram, điều chưa từng đạt được trước đây. Đây chính là hiệu suất mà các kỹ sư hàng không vũ trụ hằng mong đợi.
Cho đến nay, việc sử dụng các hệ thống chạy bằng điện như pin hoặc pin nhiên liệu cho các chuyến bay là điều không hợp lý. Nhưng thiết kế mới của nhóm nghiên cứu cho thấy điều đó là khả thi, nhà nghiên cứu chính Venkata Karthik Nadimpalli giải thích.
Lợi ích không chỉ ở việc giảm trọng lượng. Hình dạng gyroid cho phép khí lưu thông dễ dàng hơn, tỏa nhiệt đều và tăng cường độ cơ học. Ở chế độ điện phân, các pin thậm chí còn sản xuất hydro với tốc độ gần gấp 10 lần so với các thiết kế cũ. Điều này làm cho thiết bị không chỉ mạnh mẽ mà còn linh hoạt.
Các thử nghiệm cho thấy pin mới có thể chịu được điều kiện khắc nghiệt, như nhiệt độ thay đổi đột ngột lên tới 100°C và chuyển đổi liên tục giữa sản xuất điện với tạo ra hydro. Chúng vẫn nguyên vẹn, không có vết nứt hay lớp nào bong ra. Khả năng này có thể giúp chúng đặc biệt hữu ích trong các chuyến bay.
Ví dụ, thí nghiệm ISRU oxygen trên sao Hỏa (MOXIE) của NASA hiện đang sử dụng thiết bị cồng kềnh nặng hơn 6 tấn để tạo ra oxy từ khí quyển sao Hỏa. Thiết kế mới của nhóm DTU có thể giảm trọng lượng xuống chỉ còn 800 kg, giúp giảm đáng kể chi phí phóng.
Một lợi thế khác là cách chế tạo pin mới này. Thiết kế truyền thống cần nhiều bước, nhiều vật liệu và các lớp đệm mỏng manh dễ bị mòn theo thời gian. Ngược lại, Monolith được in chỉ trong năm bước, sử dụng một cấu trúc ceramic duy nhất. Điều này giúp nó đơn giản, bền hơn, có khả năng rẻ hơn.
Các nhà nghiên cứu tin rằng vẫn còn nhiều chỗ để cải tiến. Việc sử dụng chất điện phân mỏng hơn, thay thế bạch kim đắt tiền bằng kim loại rẻ hơn như niken hoặc bạc, và thiết kế thậm chí nhỏ gọn hơn nữa, có thể thúc đẩy công nghệ này tiến xa hơn.
Nếu những tiến bộ này tiếp tục, pin nhiên liệu ceramic in 3D một ngày nào đó có thể cung cấp năng lượng sạch hơn cho máy bay, tàu vũ trụ, thậm chí cả các hệ thống năng lượng tái tạo trên Trái đất. Đây có thể là bước đột phá cuối cùng, biến chuyến bay bền vững thành hiện thực.
