Trong chuyến thăm và làm việc tại Nhật Bản vừa qua, tôi đến Trung tâm dự án nghiên cứu chế tạo xe hơi chạy bằng nước lã ở tỉnh Kanagawa, cách thủ đô Tokyo khoảng 50km. Chính phủ Nhật Bản và các công ty chế tạo xe hơi đã đầu tư 250 triệu USD cho dự án này.

Trên thực tế, đây là loại ô tô chạy bằng điện. Dòng điện được tạo ra trực tiếp từ phản ứng hóa học giữa các nguyên tử khí hydro với khí oxy trong không khí để tạo thành nước. Trước đó, khí hydro đã được điều chế ở qui mô công nghiệp từ nước lã tại nhà máy.

Kỹ sư hóa dầu Yano Hisashi hướng dẫn tôi vào phòng mô hình của trung tâm, chỉ cho xem qui trình tổng thể và nguyên lý hoạt động của xe hơi chạy bằng năng lượng điện lấy từ nước lã.

Nguyên lý và triển vọng

Một phân tử nước (H2O) có hai nguyên tử hydro và một nguyên tử ôxy. Người ta tách khí hydro dưới dạng ion ra khỏi nước. Các ion hydro khi tương tác với oxy trong không khí liền tạo thành nước.

Phản ứng hóa học này sinh ra nhiệt lượng và một dòng điện rất nhỏ có điện áp từ 0,7 đến 0,9 vôn. Dòng điện đó sẽ được làm cho lớn lên đủ để quay mô tơ điện trong động cơ xe ô tô du lịch và còn được ứng dụng trong đời sống hằng ngày tại gia đình, công sở.

Kỹ sư Yano Hisashi và động cơ 3 pha dùng cho ô tô du lịch

Nước vừa được tạo ra từ phản ứng giữa khí hydro và oxy lại được đưa vào điều chế khí hydro dưới dạng các ion rồi tiếp tục làm nên một vòng khép kín năng lượng sạch tái tạo.

Trong phòng thí nghiệm, kỹ sư Yano Hisashi dẫn tôi tới xem mô hình giản lược, trong đó pin mặt trời được dùng để điều chế ion hydro từ nước. Các ion hydro được cho tương tác với khí oxy ngoài không khí trong một môi trường đặc biệt có platinum làm chất xúc tác.

Phản ứng tạo nước này xảy ra, đồng thời tỏa nhiệt lượng và tạo ra một dòng điện đủ để làm cho con chuồn chuồn điện tử vỗ cánh.

Kỹ sư Hisashi say sưa nói về triển vọng to lớn của khí hydro được sử dụng làm nguồn năng lượng mới, sạch, thay thế cho các nguồn năng lượng hóa thạch đang ngày càng cạn kiệt. Ông nhấn mạnh, khí hydro là tương lai của thế giới. Khí hydro có vô vàn trong thiên nhiên dưới các dạng khác nhau, nhưng nhiều nhất là trong thành phần của nước.

Hiện nay, trên thế giới có khoảng 800 triệu xe hơi các loại đang lăn bánh, riêng ở Nhật Bản có 80 triệu chiếc và gần như tất cả đều dùng nhiên liệu hóa thạch. Nếu toàn bộ số xe này chuyển sang dùng năng lượng sạch tái tạo từ nước sẽ giảm được rất nhiều khí thải gây hiệu ứng nhà kính.

Ba điều bí mật

Kỹ sư Hisashi chỉ vào một khối hộp trông giống chiếc vali lớn, nói đây là một tổ hợp nhiều “nhà máy” phát điện dùng cho ô tô du lịch 5 chỗ ngồi. Bên trong hộp này là 500 “nhà máy” phát điện siêu nhỏ. Mỗi “nhà máy” đó sản xuất ra một dòng điện có điện áp từ 0,7 đến 0,9 vôn do phản ứng tạo nước giữa 2 nguyên tử hydro và 1 nguyên tử oxy.

Với 500 “nhà máy” như vậy được đấu nối tiếp nhau, chiếc “vali lớn” cho ra dòng điện một chiều với điện áp từ 300 đến 320 vôn. Dòng điện một chiều này đi qua một thiết bị để được biến thành dòng ba pha, làm quay một động cơ điện 3 pha cung cấp động lực cho ô tô.

Ông Hisashi rút ra cho tôi xem một “nhà máy” điện siêu nhỏ. Đó chỉ là một tấm màng mỏng màu đen hình chữ nhật rộng bằng bàn tay có khung kim loại bao quanh. Sờ vào màng này, tôi cảm thấy độ mỏng giống như màng nilon mà các bà nội trợ dùng để bọc thức ăn đặt trong tủ lạnh.

Ông Hisashi nói đó chính là màng nano, nơi diễn ra phản ứng tạo nước giữa khí hydro và oxy, cũng là nơi chứa nhiều bí mật của các nhà công nghệ. Khí hydro đi qua màng mỏng này để tiếp xúc với oxy sinh ra điện.

Chất làm ra màng mỏng không được tiết lộ nhưng chắc chắn chứa ít nhất hai thành phần gồm carbon và platinium đóng vai trò chất xúc tác. Do platinium rất đắt nên hiện nay một số công ty xe hơi đã tìm ra chất khác thay thế. Chất thay thế này là điều bí mật thứ hai.

Điều bí mật thứ ba là do thay thế chất platinium nên cường độ dòng điện thay đổi. Thực tế, cường độ dòng điện do “chiếc vali” sản sinh ra bao nhiêu, các nhà chế tạo xe hơi như Honda, Toyota, Nissan đều không tiết lộ.

Kỹ sư Hisashi mời tôi ngồi vào chiếc Toyota 7 chỗ chạy bằng điện sinh ra từ sự tương tác giữa hydro và oxy. Xe chạy êm như ru vì không có tiếng nổ của động cơ đốt trong, chỉ trong vài giây đã đạt tốc độ 155 km/h.

Xe này khác với các xe chạy điện ắc qui vì nguồn điện làm quay bánh xe lấy từ phản ứng hóa học tạo nước chứ không phải từ bình điện nên khi ngừng dòng khí hydro là chiếc “vali lớn” hết sinh ra điện. Lúc này rotor trong động cơ điện 3 pha vẫn quay theo quán tính bên trong stator tạo ra một dòng điện phụ. Dòng điện này liền được thu nạp vào ắc qui của xe hơi để chạy các thiết bị trên xe như còi, đồng hồ, đèn...

Trạm nạp hydro cho xe hơi

Theo kỹ sư Hisashi, mỗi lần nạp khí hydro vào xe hơi mất 15 phút và đủ để chạy từ 800 km đến 900 km, tùy xe và chất lượng mặt đường. Nước sinh ra từ phản ứng hóa học một phần được thải ra môi trường dưới dạng hơi, phần còn lại được ngưng tụ để làm mát máy.

Điều chế hydro công nghiệp

Do việc điều chế hydro từ nước nguyên chất cho hiệu quả chưa cao nên Nhật Bản hiện điều chế hydro từ một hỗn hợp nước và khí đốt tự nhiên. Hỗn hợp này được đưa vào một lò nung ở nhiệt độ 830oC với một số chất xúc tác. Khí hydro thu được có độ tinh khiết khoảng 70%.

Sau khi đi qua bộ lọc, hydro đạt độ tinh khiết 99%, rồi được nạp vào các bình thép lớn có đường kính 40cm, dài 5m, vỏ bình dày 4cm. Từ các bình này, hydro được bơm nén vào các bình khí hydro của từng xe ô tô để đạt tới áp suất 700 kg/cm2.

Hiện nay, còn hạn chế là qui trình điều chế hydro vẫn phải sử dụng một phần khí đốt tự nhiên (năng lượng hóa thạch) và điện để nung lò phản ứng lấy từ nguồn điện công nghiệp. Kỹ sư Hisashi hy vọng, trong tương lai, hydro có thể được sản xuất ở qui mô thương mại hoàn toàn từ nước lã bằng năng lượng điện mặt trời, phong điện, hoặc điện hạt nhân.

Hai thách thức trước mắt

Hiện giá thành của một chiếc xe hơi nói trên còn rất cao, từ 200.000 đến 250.000 USD. Đó là thách thức thứ nhất. Nguyên nhân chính khiến giá thành cao là phản ứng tạo nước đang phải sử dụng một lượng lớn chất xúc tác platinium (vàng trắng).

Kỹ sư Hisashi cho biết, các nhà khoa học tại Trường Đại học Kyoto, Đại học Tokyo, Đại học Gunma đang nghiên cứu chất xúc tác khác rẻ hơn. Đây là cuộc chạy đua giữa các hãng xe hơi với mục tiêu vào năm 2015, loại xe này được đưa ra thị trường với giá 5 triệu yên (62.500 USD) để người dân bình thường có thể mua được.

Thách thức thứ hai là muốn phổ biến loại xe này phải xây dựng hệ thống hạ tầng trạm tiếp khí hydro đủ thuận tiện cho người sử dụng. Hiện nay, mỗi trạm này phải gắn liền với một nhà máy điều chế hydro trị giá 7,5 triệu USD nhưng chỉ đủ nạp cho 60 xe/ngày.

Con số này quá nhỏ so với một trạm xăng hiện nay có thể nạp cho vài trăm xe mỗi ngày. Nếu có 2 triệu xe chạy bằng nước lã thì cần ít nhất 1.000 trạm tiếp khí hydro như vậy.Nhật Bản hiện nay có 80 triệu xe nên nếu đổi thành xe chạy hydro, sẽ cần 4.000 trạm tiếp hydro trên toàn quốc. Đây là thách thức khó thực hiện trong tương lai gần.

An toàn

Trả lời câu hỏi vì sao khí hydro không được hóa lỏng để nạp vào các bình chứa trên xe ô tô, kỹ sư Yano Hisashi cho biết, hiện nay trên thế giới có 3 nơi nghiên cứu loại xe chạy bằng hydro điều chế từ nước gồm Nhật Bản, Đức và Mỹ.

Các nhà khoa học của 3 nước này đều đã tính đến việc hóa lỏng hydro giống như hóa lỏng khí đốt tự nhiên. Tuy nhiên, tất cả đều thất bại vì có thể làm được tại phòng thí nghiệm, nhưng không thể thực hiện ở qui mô thương mại.

Hydro bị hóa lỏng ở nhiệt độ âm (-) 255oC. Việc làm này đã khó nhưng duy trì hydro ở thể lỏng trên xe hơi là không thực hiện được, nếu được cũng không an toàn. Điều này buộc các nhà công nghệ Nhật Bản chấp nhận dùng hydro nén vào một bình hợp kim nhôm chịu áp lực cao có lớp vỏ ngoài là sợi hóa học đặc biệt.

Vì hydro có đặc tính nhẹ và có thể cháy nên để đảm bảo an toàn, mỗi hãng xe có công nghệ riêng. Chẳng hạn, Toyota lắp hai bình khí hydro ở hai bên hông xe. Khi xảy ra cháy, hai bình khí này sẽ tự động phóng ra ngoài để tránh gây thương tích cho người trong xe. Hãng Nissan thì lắp bình hydro dưới băng ghế sau của xe với một hệ thống 15 van an toàn.

Các nhà công nghệ Nhật Bản đã thực nghiệm dùng súng bắn thủng bình hydro, khí chỉ thoát ra chứ chưa bao giờ bốc cháy. Người sử dụng xe có thể yên tâm rằng các trường hợp va đập do tai nạn giao thông không thể gây cháy nổ bình hydro trên xe.

Nguyễn Đại Phượng (Tiền Phong)