Theo các nghiên cứu từ Viện Kỹ sư Điện và Điện tử (IEEE) và Cơ quan Hàng không Vũ trụ Mỹ (NASA), công nghệ truyền tải điện không dây (Wireless Power Transfer – WPT) đang chuyển mình từ các ứng dụng sạc từ tính tầm gần sang tham vọng truyền năng lượng vi ba từ trạm vũ trụ xuống Trái Đất. Dù Bộ Năng lượng Hoa Kỳ (DOE) đánh giá cao tiềm năng thay thế cáp đồng, nhưng trở ngại lớn nhất hiện nay vẫn là định luật bình phương nghịch đảo khiến hiệu suất suy giảm mạnh theo khoảng cách, cùng với các rủi ro về nhiễu sóng điện từ theo quy chuẩn an toàn sinh học của Ủy ban Kỹ thuật Điện Quốc tế (IEC).

 

1. Tổng quan về quá trình truyền tải điện

Hành trình đưa điện năng từ nhà máy đến tay người tiêu dùng đang chuẩn bị bước vào một cuộc cách mạng mang tính lịch sử.

1.1. Quá trình truyền tải điện truyền thống

Mạng lưới điện quốc gia hiện nay vận hành hoàn toàn dựa trên hệ thống cáp dẫn vật lý bằng đồng hoặc nhôm nối liền các nhà máy phát điện với khu dân cư. Dòng điện xoay chiều được đẩy lên mức điện áp hàng trăm kilovolt để vượt qua những khoảng cách địa lý khổng lồ với mức hao hụt thấp nhất có thể. Tuy nhiên, việc phụ thuộc vào hệ thống cột tháp và dây dẫn khiến chi phí bảo trì mạng lưới luôn ở mức cực kỳ đắt đỏ. Những sự cố đứt cáp do thiên tai như bão lũ hay động đất thường xuyên làm tê liệt toàn bộ nguồn cung cấp năng lượng của một vùng rộng lớn. Hệ thống truyền tải hữu tuyến này đang dần bộc lộ những giới hạn vật lý không thể vượt qua trong bối cảnh nhu cầu năng lượng tăng vọt.

Để khắc phục những yếu điểm của hệ thống cáp truyền thống, giới khoa học đã không ngừng tìm kiếm những phương thức truyền tải năng lượng hoàn toàn mới. Viện Kỹ sư Điện và Điện tử (IEEE) từng nhấn mạnh rằng việc loại bỏ dây dẫn vật lý sẽ là bước tiến vĩ đại nhất kể từ khi con người phát minh ra dòng điện xoay chiều. Ý tưởng này hứa hẹn giải quyết triệt để bài toán cung cấp điện cho những vùng hải đảo xa xôi hoặc các khu vực đồi núi hiểm trở không thể kéo cáp. Đây chính là tiền đề thôi thúc các phòng thí nghiệm trên toàn thế giới đổ hàng tỷ đô la vào việc nghiên cứu công nghệ truyền năng lượng trong không gian. Một kỷ nguyên năng lượng không dây đang dần được định hình từ những nhu cầu bức thiết của đời sống thực tiễn.

 

1.2. Khái niệm và bản chất của truyền điện không dây

Truyền điện không dây, hay còn gọi là công nghệ WPT, là quá trình chuyển giao năng lượng từ một nguồn phát đến thiết bị thu mà không cần bất kỳ sự tiếp xúc cơ học hay dây dẫn nào. Nguyên lý cốt lõi của công nghệ này xoay quanh việc biến đổi dòng điện thành các dạng năng lượng trung gian như từ trường, sóng vô tuyến hoặc ánh sáng để truyền đi trong không gian. Khi chạm đến thiết bị đích, một bộ thu đặc biệt sẽ làm nhiệm vụ hấp thụ và chuyển hóa ngược các dạng năng lượng này trở lại thành dòng điện hữu ích. Mặc dù khái niệm này đã được nhà khoa học Nikola Tesla khởi xướng từ hơn một thế kỷ trước với tháp Wardenclyffe nổi tiếng, nhưng những giới hạn về công nghệ vật liệu thời bấy giờ đã khiến dự án bị đóng băng. Ngày nay, sự bùng nổ của vi mạch bán dẫn đang mang giấc mơ vĩ đại của Tesla sống lại một lần nữa.

• Trạm phát năng lượng làm nhiệm vụ chuyển đổi điện lưới thành sóng điện từ hoặc chùm tia định hướng.
• Môi trường truyền dẫn là không gian tự do, nơi năng lượng di chuyển dưới dạng sóng hoặc hạt photon.
• Anten thu năng lượng được tích hợp trên thiết bị cuối để chuyển hóa sóng ngược lại thành dòng điện một chiều.

 

1.3. Sự bùng nổ của các thiết bị sạc không dây hiện tại

Thực tế cho thấy, công nghệ truyền tải năng lượng không dây đã hiện diện và thay đổi mạnh mẽ thói quen sử dụng thiết bị điện tử của chúng ta mỗi ngày. Hàng tỷ chiếc điện thoại thông minh, đồng hồ điện tử và tai nghe không dây hiện nay đều được tích hợp chuẩn sạc dựa trên hiện tượng cảm ứng điện từ. Người dùng chỉ cần đặt thiết bị lên một tấm đệm sạc là quá trình nạp năng lượng lập tức diễn ra mà không cần cắm rút các sợi cáp vướng víu. Khoảng cách truyền tải của công nghệ này hiện chỉ giới hạn ở mức vài milimet nhưng nó chứng minh tính khả thi tuyệt đối của việc truyền điện xuyên qua lớp vỏ nhựa hoặc kính. Sự tiện lợi này đang tạo ra một cuộc chạy đua khốc liệt giữa các tập đoàn công nghệ nhằm tích hợp sạc không dây vào mọi đồ gia dụng.

Thành công rực rỡ của các thiết bị sạc tầm gần chính là bước đệm hoàn hảo để các nhà nghiên cứu mạnh dạn tiến lên những quy mô truyền tải khổng lồ hơn. Bộ Năng lượng Hoa Kỳ (DOE) đánh giá rằng việc mở rộng bán kính sạc không dây từ vài milimet lên vài mét trong phòng khách sẽ là một thị trường trị giá hàng nghìn tỷ đô la. Các thiết bị như tivi, quạt máy hay tủ lạnh trong tương lai có thể tự động nhận năng lượng từ một trạm phát gắn trên trần nhà ngay khi được mang vào phòng. Bước nhảy vọt từ sạc điện thoại sang cấp điện cho cả căn nhà đòi hỏi những đột phá nghiêm túc về mặt kiểm soát bước sóng. Bức tranh về một không gian sống hoàn toàn không có ổ cắm điện đang trở nên rõ nét hơn bao giờ hết.

 

2. Các phương pháp kỹ thuật tiềm năng để truyền điện không dây đi xa

Để kéo dài khoảng cách truyền tải từ vài milimet lên hàng chục kilomet, giới khoa học đang song song phát triển ba phương pháp truyền năng lượng chủ đạo.

2.1. Truyền tải thông qua cảm ứng từ trường cộng hưởng

Cảm ứng từ trường cộng hưởng là bản nâng cấp mạnh mẽ của công nghệ sạc điện thoại hiện tại nhằm gia tăng đáng kể khoảng cách truyền năng lượng. Kỹ thuật này sử dụng hai cuộn dây đồng được thiết kế để cộng hưởng ở cùng một tần số tự nhiên rất đặc thù, giống như cách hai chiếc nĩa thoa âm nhạc rung động cùng nhau. Khi cuộn dây phát tạo ra một từ trường dao động, chỉ có cuộn dây thu mang cùng tần số mới có khả năng hút lấy năng lượng này một cách mãnh liệt. Các vật thể khác nằm trong vùng từ trường nhưng không cùng tần số cộng hưởng sẽ hoàn toàn không bị ảnh hưởng hay nóng lên. Đặc tính chọn lọc này giúp năng lượng được truyền đi một cách cực kỳ an toàn xuyên qua tường gạch, mặt bàn gỗ hoặc thậm chí là cơ thể con người.

Hiện tại, công nghệ cộng hưởng từ có thể truyền được công suất vài nghìn watt đi xa khoảng hai đến ba mét với hiệu suất trên chín mươi phần trăm. Khoảng cách này được đánh giá là cực kỳ lý tưởng để ứng dụng vào việc sạc không dây cho các phương tiện như robot hút bụi hoặc máy bay không người lái trong nhà kho. Nhiều hãng xe hơi lớn cũng đang ráo riết thử nghiệm việc đặt các cuộn dây cộng hưởng dưới bãi đỗ xe để tự động nạp điện cho ô tô khi chúng vừa lăn bánh vào chuồng. Mặc dù rất an toàn và hiệu quả ở cự ly ngắn, từ trường cộng hưởng lại suy yếu rất nhanh nếu khoảng cách bị kéo giãn ra ngoài bán kính năm mét. Vì vậy, các nhà khoa học buộc phải tìm đến các dải sóng khác để giải quyết bài toán truyền tải vĩ mô.

 

2.2. Sử dụng sóng vô tuyến vi ba cho khoảng cách lớn

Để truyền một lượng điện năng khổng lồ xuyên qua bầu khí quyển, sóng vô tuyến vi ba đang được xem là ứng cử viên sáng giá nhất hiện nay. Mạch điện tử sẽ chuyển đổi dòng điện thành chùm sóng vi ba có tần số cao, tương tự như loại sóng được sử dụng trong hệ thống radar hoặc lò vi sóng gia đình. Chùm sóng này sau đó được hội tụ qua một hệ thống ăng ten parabol khổng lồ để bắn thẳng đến một trạm thu nhận năng lượng nằm cách đó hàng trăm kilomet. Tại trạm đích, một mạng lưới ăng ten đặc biệt có tên gọi là rectenna sẽ làm nhiệm vụ hấp thụ sóng vi ba và nắn chúng trở lại thành dòng điện một chiều. Sóng vi ba có khả năng đâm xuyên qua mây mù và mưa dông rất tốt, đảm bảo quá trình truyền tải năng lượng diễn ra liên tục bất chấp thời tiết.

Sức mạnh thực sự của sóng vi ba nằm ở khả năng truyền năng lượng xuyên không gian vũ trụ mà không bị hao hụt quá nhiều. Cơ quan Hàng không Vũ trụ Mỹ (NASA) đã chứng minh thành công việc sử dụng sóng vi ba để bắn năng lượng từ mặt đất lên cấp điện cho một mô hình trực thăng bay lơ lửng. Tuy nhiên, thách thức kỹ thuật lớn nhất của phương pháp này là kích thước của các trạm thu phát phải cực kỳ khổng lồ để hứng trọn vẹn chùm sóng bị loe ra theo khoảng cách. Một hệ thống truyền tải điện vi ba thương mại có thể yêu cầu những bãi ăng ten rectenna trải dài hàng chục kilomet vuông trên mặt đất.

 

2.3. Công nghệ truyền tải năng lượng bằng tia laser

Thay vì dùng sóng vô tuyến phân tán, các kỹ sư đang nhắm đến việc sử dụng chùm tia laser hội tụ để bắn năng lượng đi với độ chính xác tuyệt đối. Dòng điện sẽ cung cấp năng lượng để phát ra một chùm laser cường độ cao, chiếu thẳng vào một tấm pin quang năng đặc chủng đặt tại vị trí thiết bị nhận. Tấm pin này sẽ thực hiện hiệu ứng quang điện để biến ánh sáng laser trở lại thành dòng điện nuôi thiết bị một cách tức thì. Ưu điểm vô song của tia laser là nó hoàn toàn không bị loe rộng ra trong không gian, cho phép truyền năng lượng đến những mục tiêu siêu nhỏ cách xa hàng chục cây số. Tuy nhiên, bất kỳ vật cản nào như một đàn chim bay ngang qua hoặc màn sương mù mỏng cũng có thể cắt đứt hoàn toàn chùm tia ánh sáng và làm gián đoạn nguồn điện.

 

3. Những rào cản và khó khăn trong quá trình truyền tải không dây

Tham vọng cắt đứt mọi sợi dây cáp điện trên thế giới đang vấp phải những giới hạn vật lý khắc nghiệt không dễ gì vượt qua trong ngày một ngày hai.

3.1. Bài toán hao hụt năng lượng và hiệu suất truyền tải

Kẻ thù lớn nhất của công nghệ truyền tải điện không dây chính là định luật bình phương nghịch đảo vô cùng tàn nhẫn của giới tự nhiên. Khi năng lượng được bức xạ ra không gian, cường độ của nó sẽ suy giảm tỷ lệ nghịch với bình phương khoảng cách tính từ nguồn phát đến thiết bị thu. Điều này có nghĩa là nếu bạn di chuyển thiết bị thu ra xa gấp đôi, lượng điện năng nhận được sẽ bị sụt giảm đi tận bốn lần. Khối năng lượng bị thất thoát dọc đường không hề biến mất mà bị phân tán thành nhiệt năng hoặc bức xạ vương vãi ra ngoài không gian môi trường. Sự hao hụt khủng khiếp này khiến chi phí sản xuất một kilowatt điện không dây đắt gấp hàng chục lần so với việc dẫn điện qua cáp đồng.

Để bù đắp cho sự tiêu hao này, các hệ thống bắt buộc phải đẩy công suất phát ban đầu lên một ngưỡng cực kỳ khủng khiếp, gây ra sự lãng phí tài nguyên nghiêm trọng. Hiện tại, hiệu suất thu hồi năng lượng của các hệ thống phát sóng vi ba đường dài tốt nhất cũng chỉ loanh quanh ở mức mười đến hai mươi phần trăm. Tám mươi phần trăm lượng điện năng bị vứt bỏ dọc đường là một con số không thể chấp nhận được đối với bất kỳ bài toán kinh tế thương mại nào. Giải pháp duy nhất để cải thiện hiệu suất là phải tìm ra những vật liệu siêu dẫn mới để chế tạo các ăng ten thu phát có khả năng hấp thụ năng lượng với độ nhạy tuyệt đối. Sự đột phá về khoa học vật liệu sẽ là chìa khóa sống còn quyết định vận mệnh của toàn bộ ngành công nghiệp điện không dây.

>>> Xem thêm: Top 10 vật liệu dẫn điện tốt nhất thế giới

 

3.2. Ảnh hưởng của vật cản và điều kiện thời tiết

Trái ngược với dòng điện chạy trong lõi cáp bọc nhựa an toàn, năng lượng truyền trong không gian phải trực tiếp đối mặt với sự nhiễu loạn của khí quyển. Các hạt mưa, bông tuyết hay bụi mịn lơ lửng trong không khí đóng vai trò như những hàng rào vật lý hấp thụ và làm chệch hướng các chùm sóng năng lượng. Một cơn bão từ trên mặt trời hay hiện tượng sấm sét cục bộ cũng đủ sức bóp méo từ trường và làm mất kết nối cộng hưởng của các hệ thống truyền tải điện. Việc duy trì một hành lang truyền sóng hoàn toàn sạch sẽ không có vật cản là điều gần như bất khả thi trong môi trường đô thị chật chội. Bất kỳ một công trình cao tầng mới xây nào cũng có thể chặn đứng đường đi của chùm sóng vi ba và cắt điện toàn bộ khu vực phía sau nó.

 

3.3. Rủi ro về sức khỏe sinh học và nhiễu sóng điện từ

Việc bắn những chùm sóng mang theo công suất điện khổng lồ đi xuyên qua bầu khí quyển đang làm dấy lên những lo ngại sâu sắc về an toàn sinh học. Ủy ban Kỹ thuật Điện Quốc tế (IEC) đã ban hành những quy chuẩn cực kỳ khắt khe về giới hạn cường độ bức xạ điện từ được phép tiếp xúc với cơ thể con người. Nếu một người vô tình đi ngang qua chùm sóng vi ba công suất cao, cơ thể họ có thể bị đốt nóng từ bên trong gây ra những tổn thương nội tạng nghiêm trọng. Hơn thế nữa, mạng lưới sóng điện từ khổng lồ này còn tạo ra tình trạng nhiễu sóng kinh hoàng, làm mù radar hàng không và phá hỏng mọi kênh liên lạc viễn thông xung quanh. Để khắc phục, các trạm phát sóng buộc phải tích hợp hệ thống radar nhận diện vật thể để tự động ngắt điện ngay lập tức khi phát hiện có sinh vật lạ xâm nhập vào đường truyền.

• Nguy cơ làm nhiễu sóng các thiết bị y tế cấy ghép sinh học như máy tạo nhịp tim của người cao tuổi.
• Hệ thống thông tin liên lạc vô tuyến và sóng truyền hình vệ tinh bị chèn ép băng tần dẫn đến mất tín hiệu hoàn toàn.
• Khả năng đốt nóng cục bộ gây bỏng rát bề mặt da đối với những người làm việc gần khu vực đặt trạm phát vi ba.

 

3.4. Chi phí đầu tư hạ tầng phát và thu sóng khổng lồ

Bài toán cuối cùng giam chân công nghệ truyền tải không dây trong các phòng thí nghiệm chính là ngân sách đầu tư cơ sở hạ tầng đắt đỏ một cách phi lý. Để thay thế một đường dây cáp điện trị giá vài triệu đô la, các chính phủ sẽ phải bỏ ra hàng tỷ đô la để xây dựng các tháp phát laser hoặc bãi ăng ten vi ba. Các vật liệu bán dẫn dùng để chế tạo hệ thống lưới thu năng lượng rectenna hiện nay đều sử dụng các kim loại hiếm có giá thành rất cao trên thị trường. Việc bảo trì những tháp phát sóng hội tụ đòi hỏi trình độ kỹ thuật cực kỳ tinh vi để hiệu chỉnh sai số góc chiếu chỉ vài phần nghìn độ. Nếu không thể thương mại hóa để kéo giảm chi phí linh kiện, mạng lưới điện không dây sẽ vĩnh viễn chỉ là một món đồ chơi xa xỉ của giới khoa học.

 

4. Các dự án thử nghiệm và bước tiến công nghệ nổi bật

Bất chấp vô vàn khó khăn, những dự án thử nghiệm quy mô lớn đang dần chứng minh rằng việc truyền điện đi xa không chỉ là lý thuyết viển vông.

4.1. Tham vọng truyền điện mặt trời từ không gian

Dự án táo bạo và vĩ đại nhất của nhân loại hiện nay là tham vọng xây dựng các nhà máy điện mặt trời khổng lồ quay quanh quỹ đạo Trái Đất. Tại độ cao ba mươi sáu ngàn kilomet, các tấm pin quang năng không bị che khuất bởi mây mù và có thể hứng trọn vẹn ánh sáng mặt trời suốt hai mươi bốn giờ mỗi ngày. Khối năng lượng sạch khổng lồ này sẽ được chuyển hóa thành sóng vi ba cực mạnh và bắn thẳng xuống các bãi thu năng lượng khổng lồ đặt trên các vùng sa mạc cằn cỗi. Dự án này hứa hẹn cung cấp một nguồn điện sạch vô tận, giúp nhân loại thoát khỏi sự phụ thuộc vào nhiên liệu hóa thạch gây ô nhiễm môi trường. Các cường quốc công nghệ đang chạy đua khốc liệt để giành giật không gian quỹ đạo nhằm hiện thực hóa siêu dự án năng lượng của thế kỷ.

Mới đây, viện công nghệ Caltech đã làm chấn động thế giới khi phóng thành công vệ tinh thử nghiệm truyền điện không dây đầu tiên vào không gian vũ trụ. Vệ tinh này đã thu thập quang năng và bắn một chùm sóng vi ba năng lượng thấp xuyên qua lớp màng khí quyển để thắp sáng một bóng đèn trên mặt đất. Sự kiện này là minh chứng lịch sử khẳng định tính khả thi của chu trình truyền năng lượng từ vũ trụ xuống mặt đất một cách an toàn. Mặc dù công suất thu được còn rất nhỏ nhoi, nhưng nó đã đập tan sự hoài nghi của giới học thuật về khả năng đâm xuyên của sóng vi ba qua tầng điện ly. Các tập đoàn hàng không vũ trụ đang rục rịch chuẩn bị phóng các trạm phát sóng thương mại cỡ lớn vào cuối thập kỷ này.

 

4.2. Cấp điện trực tiếp cho xe điện đang chạy trên đường

Ở quy mô mặt đất, công nghệ truyền điện không dây đang được ứng dụng thực tế vào việc giải quyết bài toán sạc pin cho các phương tiện giao thông. Tại Thụy Điển và Hàn Quốc, các kỹ sư đã thi công những đoạn đường cao tốc được chôn ngầm hàng loạt cuộn dây cảm ứng từ trường bên dưới lớp bê tông nhựa. Khi một chiếc xe buýt điện chạy ngang qua dải đường này, hệ thống cộng hưởng sẽ tự động kích hoạt và bơm điện liên tục vào gầm xe trong lúc nó đang lao đi với tốc độ cao. Công nghệ vừa chạy vừa sạc này cho phép các nhà sản xuất thu nhỏ kích thước cục pin trên xe xuống chỉ còn một phần ba, giúp xe nhẹ hơn và chở được nhiều hành khách hơn. Đây được xem là lối thoát hoàn hảo cho ngành giao thông vận tải, loại bỏ hoàn toàn nỗi ám ảnh về việc phải dừng chờ sạc pin hàng giờ liền.

5. Định hướng tương lai của mạng lưới truyền tải điện toàn cầu

Trong một vài thập kỷ tới, mạng lưới điện truyền thống bằng dây cáp chắc chắn vẫn sẽ đóng vai trò xương sống không thể thay thế đối với nền kinh tế toàn cầu. Việc truyền tải dòng điện công suất siêu lớn đi xuyên quốc gia vẫn đòi hỏi tính ổn định tuyệt đối mà chỉ có cáp đồng hoặc cáp siêu dẫn mới có thể đáp ứng được với chi phí hợp lý. Tuy nhiên, công nghệ truyền điện không dây sẽ không đối đầu trực tiếp để tiêu diệt dây cáp mà sẽ đóng vai trò như một hệ thống bổ trợ hoàn hảo ở khu vực chặng cuối. Nó sẽ len lỏi vào những nơi mà dây dẫn vật lý tỏ ra bất lực như vùng rốn lũ, các trạm nghiên cứu hải dương học sâu dưới đáy biển hoặc các khu vực địa hình bị chia cắt phức tạp. Sự cộng sinh giữa hệ thống cáp hữu tuyến và sóng vô tuyến sẽ tạo ra một mạng lưới năng lượng linh hoạt, có khả năng tự phục hồi nhanh chóng sau thảm họa.

Hệ sinh thái thiết bị điện tử dân dụng sẽ là những đối tượng đầu tiên được hưởng lợi và chuyển đổi hoàn toàn sang chế độ không dây trong tương lai gần. Việc các căn nhà thông minh được trang bị bộ định tuyến năng lượng wifi có khả năng tự động phân bổ điện cho từng bóng đèn và tivi sẽ sớm trở thành tiêu chuẩn bất động sản mới. Con người sẽ vĩnh viễn quên đi sự tồn tại của những củ sạc, dây cáp loằng ngoằng và những ổ cắm điện nguy hiểm trên tường đe dọa trẻ nhỏ. Khi rào cản về việc nạp điện bị xóa bỏ, các thiết bị điện tử di động có thể vận hành liên tục cả đời mà không cần quan tâm đến dung lượng pin còn lại. Cuộc cách mạng tiện ích này sẽ làm thay đổi hoàn toàn cách các kỹ sư thiết kế phần cứng cho hàng tỷ sản phẩm tiêu dùng trên toàn thế giới.

Sự tiến bộ vũ bão của trí tuệ nhân tạo và khoa học vật liệu mới đang từng ngày rút ngắn khoảng cách giữa tiểu thuyết khoa học viễn tưởng và đời thực. Những chùm sóng vi ba mạnh mẽ mang theo năng lượng sạch từ quỹ đạo không gian sẽ sớm kết nối những vùng đất hẻo lánh nhất của châu Phi với ánh sáng văn minh. Ước mơ về một thế giới nơi năng lượng điện được chia sẻ tự do qua không trung như sóng vô tuyến đang dần bước ra khỏi bóng tối của những trang giấy học thuật. Dù con đường phía trước còn ngập tràn những bài toán rào cản về hiệu suất và an toàn sinh học, nhưng khát vọng tự do năng lượng của nhân loại là không thể ngăn cản. Mạng lưới truyền tải điện không dây chính là di sản công nghệ vĩ đại tiếp theo định hình lại toàn bộ nền văn minh của loài người trong thế kỷ hai mươi mốt.

 

Hy vọng nội dung trên giúp ích cho bạn! Nếu như có ý kiến gì/bổ sung thông tin, bạn có thể bình luận thêm bên dưới. Hoặc, nếu bạn có nhu cầu gì về thiết bị điện, đặc biệt là các thiết bị/phụ kiện tủ điện, bạn có thể xem thử các sản phẩm của Tiến Duy tại đây.