Mặt trời nhân tạo là gì? Kỷ lục mới mặt trời nhân tạo Trung Quốc

Xin chào, có lẽ nhiều bạn đang không biết rằng Trung Quốc đang có tham vọng tạo ra một mặt trời nhân tạo, nghe có vẻ điên rồ nhưng nó hoàn toàn là sự thật, vậy thì Trung Quốc đang có tham vọng gì? Và mặt trời nhân tạo là như thế nào? Hãy cùng DMT Solar tìm hiểu ở bài viết dưới đây.

1. Những nguồn năng lượng phổ biến hiện tại

Năng lượng luôn là vấn đề của toàn cầu, hiện nay chúng ta đang có những nguồn năng lượng chính như thuỷ điện, nhiệt điện hay điện hạt nhân,.....

• Thuỷ điện: là nguồn mang lại nhiều năng lượng và dồi dào nhưng cũng tiềm ẩn nhiều nguy hiểm như lũ lụt hay cản trở lưu lượng dòng nước…
• Nhiệt điện: lại rất hại cho môi trường. 
• Năng lượng gió: Tốn kém chi phí lắp đặt, vận chuyển, điều hanh,....Cần khu vực địa lý phù hợp mới có thể hoạt động.
• Điện hạt nhân: là nguồn năng lượng có hiệu suất cao nhưng cũng cực kì nguy hiểm vì phóng xạ mà nó tạo ra. Hơn nữa than đá và những đồng vị của Urani đều là những tài nguyên có hạn. Theo tính toán, cùng lắm đến khoảng năm 2070 chúng ta sẽ khai thác và sử dụng hết trữ lượng Urani có trên trái đất. Tuy nhiên có thể chỉ là 30 nữa nếu nhu cầu năng lượng càng tăng như hiện nay.
• Nguồn năng lượng mặt trời: các nhà khoa học dự đoán rằng 5 tỉ năm nữa, mặt trời sẽ cháy hết và lụi tàn, thế nhưng 5 tỉ năm với con người là quảng thời gian đủ để chúng ta tạo ra cả thiên hà. Vấn đề là năng lượng mặt trời phụ thuộc vào nhiều yếu tố như thời tiết, không có khả năng dự trữ cao hay chi phí đầu tư tốn kém.

Như vậy những nguồn năng lượng phổ biến hiện nay mà chúng ta đang khai thác luôn có những nhược điểm và có hạn, nếu nói vô hạn thì chỉ có nguồn năng lượng mặt trời là vô hạn. 

Bởi vậy người ta mới tự đặt ra một câu hỏi: Tại sao chúng ta không tạo ra một mặt trời cho riêng mình? Mà đó cũng là điều mà Trung Quốc đang tham vọng. 

2. Vậy mặt trời nhân tạo là cái gì? Và nó hoạt động như thế nào? 

Thật ra, mặt trời nhân tạo không phải là một ông mặt trời bay lơ lửng giữa không trung tỏa ra nhiệt và ánh sáng như bóng đèn khổng lồ, mà mặt trời nhân tạo chỉ đơn giản là một lò phản ứng hạt nhân, mà lò phản ứng này sẽ tạo ra phản ứng hợp hạch hay còn gọi là nhiệt hạch.

Phản ứng nhiệt hạch mà loài người chúng ta đang theo đuổi là phản ứng giữa hai đồng vị của Hydro là Trinium (gồm 2 Neutron và 1 Proton) và Deuteri (Gồm 1 Neutron và 1 Proton).

Nếu thành công phản ứng này sẽ mang lại nguồn năng lượng khổng lồ giúp chúng ta thoải mái sử dụng mà chúng ta chẳng cần phải lo lắng tài nguyên cạn kiệt, bởi vì nguồn nguyên liệu cho phản ứng nhiệt hạch gần như là vô tận. Chỉ cần 1 chai nước lọc chúng ta cũng có thể tạo ra năng lượng dùng cho 1 năm với 1 gia đình.

3. Nguyên lý hoạt động của mặt trời nhân tạo hay phản ứng nhiệt hạch

Phản ứng nhiệt hạch yêu cầu nhiệt độ rất cao, khoảng 100 triệu độ C, mà trên trái đất tự nhiên không có môi trường nào chịu đủ nhiệt độ lớn đến mức như vậy cho đến khi người ta chế tạo ra bom nguyên tử thì ở khu vực lõi trung tâm của quả bom có thể đặt được nhiệt độ này và bằng chứng là sự thành công của những quả bom nhiệt hạch. 

Thế nhưng bom nguyên tử nổ kiểu vậy thì làm sao tạo ra năng lượng được, vì vậy các nhà khoa học đã nghiên cứu sâu hơn và thiết kế ra lò phản ứng tạo ra nhiệt độ cao mà không phải cần có vụ nổ là bom hạt nhân. 

Hiện nay các lò phản ứng hạt nhân được thiết kế theo nguyên lý của một nhà khoa học người Nga là lò phản ứng Tokamak sử dụng nguồn điện cực lớn để tạo ra từ trường xoắn các nguyên tử di chuyển với tốc độ siêu nhanh tạo ra dòng Plasma với nhiệt độ cực cao. 

Tính đến hiện tại nhiều lò phản ứng đã đạt đến nhiệt độ 100 triệu độ C hoặc hơn thậm chí có lần còn đến 510 triệu độ C. Như vậy việc tạo ra dòng Plasma với nhiệt độ cao đã trở thành hiện thực nhưng lại có rất nhiều vấn đề khác xảy ra.

4. Bốn nguyên nhân khiến mặt trời nhân tạo chưa thực sự thành công

• Thứ nhất là dòng điện để sử dụng quá lớn, nếu không may gặp trục trặc từ trường sẽ bị phá hủy và gây tổn hại cho lò phản ứng. Nhưng từ đây người Đức đã có một thiết kế mới gọi là Wendelstein 7-X-Stellarator. Nhược điểm của lò này cực kỳ khó xây dựng.
• Thứ hai là chi phí xây dựng một lò phản ứng nhiệt hạch vô cùng lớn. Chưa kể đến chi phí nghiên cứu còn lớn hơn thế nên 34 quốc gia đã liên kết tạo ra 1 lò phản ứng khổng lồ có tên ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor) đặt tại Pháp.
• Thứ ba là thời gian duy trì phản ứng plasma rất ngắn (chỉ tính bằng phút) 
• Thứ tư là năng lượng sử dụng để tạo ra phản ứng cao hơn so với năng lượng mà ta thu được. VD như hiệu suất mà lò đạt được là 16 MW trong khi đó lại sử dụng nguồn năng lượng đến 24 MW-> Tức là đang lỗ về mặt năng lượng.

5. Thách thức đặt ra với nguồn năng lượng từ mặt trời nhân tạo

Trong quá trình nghiên cứu và thực hiện dự án mặt trời nhân tạo, có vô vàn những thách thức và khó khăn, sau đây là một số những thách thức tiêu biểu của dự án:

• Nhiệt độ cao: Phản ứng nhiệt hạch cần phải diễn ra ở nhiệt độ cực cao (hàng triệu độ C) để các hạt nhân có thể kết hợp lại với nhau, việc duy trì nhiệt độ cao này trong thời gian dài là một thách thức lớn về mặt kỹ thuật.
• Kiểm soát plasma: Plasma là trạng thái vật chất thứ tư, được tạo ra bởi nhiệt độ cao, cần được kiểm soát để duy trì phản ứng nhiệt hạch, việc kiểm soát plasma là một thách thức khoa học phức tạp.
• Vật liệu: Các vật liệu được sử dụng trong lò phản ứng nhiệt hạch phải có khả năng chịu được nhiệt độ cao, bức xạ và neutron.
• Chi phí: Chi phí xây dựng và vận hành lò phản ứng nhiệt hạch vẫn còn cao, từ đó mà việc giảm chi phí để có thể ứng dụng rộng rãi là một thách thức lớn.
• An toàn: Mặc dù năng lượng nhiệt hạch được xem là an toàn hơn so với năng lượng hạt nhân truyền thống, nhưng vẫn còn một số rủi ro tiềm ẩn cần được đánh giá kỹ lưỡng.

6. Kỉ lục chưa từng thấy ở mặt trời nhân tạo Trung Quốc

Mới đây, mặt trời nhân tạo của Trung Quốc đã lập kỷ lục thế giới mới sau khi làm siêu nóng một vòng plasma đến nhiệt độ nóng gấp 5 lần mặt trời (khoảng 15 triệu độ C) trong hơn 17 phút (Tháng 4 năm 2023).

Theo Tân Hoa xã, lò phản ứng tổng hợp hạt nhân EAST đã duy trì nhiệt độ 70 triệu độ C trong 1.056 giây (hơn 17 phút). Thành tựu này mang lại cho các nhà khoa học một bước tiến nhỏ nhưng có ý nghĩa tiến gần hơn đến việc tạo ra một nguồn năng lượng sạch gần như không giới hạn.

Lò phản ứng tổng hợp hạt nhân thử nghiệm của Trung Quốc đã phá vỡ kỷ lục trước đó, được thiết lập bởi Tore Supra tokamak của Pháp vào năm 2003, nơi plasma trong một vòng xoắn vẫn ở nhiệt độ tương tự trong 390 giây. EAST trước đó đã thiết lập một kỷ lục khác vào tháng 5 năm 2021 bằng cách chạy trong 101 giây ở 120 triệu C.

Trung Quốc đặt mục tiêu xây dựng lò phản ứng nhiệt hạch thương mại đầu tiên vào năm 2035. Hi vọng Trung Quốc và cả thế giới sớm tạo ra lò phản ứng nhiệt hạch hay mặt trời nhân tạo cung cấp nguồn năng lượng vô tận cho con người. 

->Tham khảo những mẫu đèn năng lượng mặt trời bán chạy nhất hiện nay tại DMT Solar.