phóng vệ tinh đầu tiên của VN
Bỏ ra 3.000 tỉ đồng để thu lãi ba năm
Mô hình vệ tinh Vinasat
TTCT - Vệ tinh viễn thông VINASAT đang ở giai đoạn thử nghiệm cuối cùng, trước khi được phóng lên quĩ đạo vào cuối tháng ba tới. Đây sẽ là vệ tinh đầu tiên của VN nên các công đoạn chuẩn bị cho khai thác, kinh doanh vệ tinh cũng đang dần được hoàn tất.
VINASAT sẽ được khai thác, kinh doanh như thế nào? TTCT trao đổi với ông Lâm Quốc Cường, phó giám đốc Công ty Viễn thông quốc tế - đơn vị xây dựng phương án kinh doanh vệ tinh thuộc Tập đoàn Bưu chính viễn thông VN (VNPT).
* Thưa ông, hiện nay việc đăng ký thuê kênh trên vệ tinh VINASAT đã được triển khai đến đâu?
- Hiện đã có một số cơ quan, bộ ngành, cơ quan quản lý nhà nước, các đài truyền hình, các doanh nghiệp cung cấp dịch vụ viễn thông... thỏa thuận sẽ sử dụng vệ tinh VINASAT. Các bên chưa ký kết hợp đồng cụ thể nhưng tất cả đã có kế hoạch đúng như kế hoạch xây dựng dự án phóng vệ tinh.
* Đến nay đã có bao nhiêu phần trăm dung lượng trên vệ tinh được đăng ký trước?
- Theo kế hoạch, trong năm đầu tiên sau khi phóng vệ tinh sẽ chỉ có vài chục phần trăm dung lượng được sử dụng và mục tiêu sau bốn năm sẽ bán được hơn 90% dung lượng trên vệ tinh. Tất nhiên, đấy là tính toán ban đầu. Nếu nhu cầu tăng đột biến thì có thể từ năm thứ hai, thứ ba đã đầy; còn nếu nhu cầu không đúng như dự báo thì có thể tới năm thứ năm mới đầy.
* Ngoài các cơ quan, bộ, ngành đã được ưu tiên đăng ký khi xây dựng kế hoạch phóng vệ tinh, các doanh nghiệp có nhu cầu sử dụng vệ tinh để cung cấp dịch vụ viễn thông, phát thanh, truyền hình... sẽ được sử dụng vệ tinh như thế nào?
- Dưới góc độ khai thác vệ tinh, chúng tôi sẵn sàng hỗ trợ khách hàng thiết lập mạng lưới để đưa tín hiệu vệ tinh đến nơi khách hàng yêu cầu. Việc có được quyền cấp nội dung quảng bá rộng rãi hay không sẽ do Bộ Thông tin - truyền thông cấp phép.
Ăngten thu tín hiệu tại Trung tâm vệ tinh Quế Dương - thiết bị sẽ dùng vào việc thu tín hiệu vệ tinh Vinasat
* Nhiều doanh nghiệp lo ngại do đây là vệ tinh đầu tiên của VN nên giá thuê sẽ rất đắt nhằm đảm bảo thu hồi vốn?
- Chúng tôi đã rất cân nhắc khi xây dựng phương án giá. Tinh thần là giá sẽ hết sức cạnh tranh với các nhà cung cấp vệ tinh trong khu vực. Chúng tôi không thể xây dựng trên cơ sở “một mình một chợ”, vì như thế sẽ không có khách hàng thuê hoặc giá thành dịch vụ sau đó sẽ đội lên.
Chúng tôi đã so sánh với giá của các nhà cung cấp vệ tinh khác như Thái Lan, Singapore, Malaysia, Mỹ, Nhật Bản, Hong Kong, Đài Loan, Trung Quốc, Ấn Độ, Úc.
Tất nhiên, giá cũng phải được xem xét trên yếu tố đây là vệ tinh đầu tiên của VN nên phải tính đến chi phí xây dựng hệ thống bộ máy, hệ thống quản lý, trang thiết bị đài trạm..., chứ không phải riêng chi phí phóng vệ tinh. Do đó, giá phải cân đối để làm sao đủ bù giá thành đã đầu tư, và đảm bảo những năm gần cuối có lợi nhuận một chút nhưng vẫn phải cạnh tranh với khu vực.
* Cụ thể, giá sẽ ngang bằng hay thấp hơn các vệ tinh khác?
- Có những giá mình cao hơn, có những giá mình thấp hơn vì không phải vệ tinh nào cũng giống nhau. Vệ tinh VINASAT có 12 băng tần Ku và tám băng tần C. Băng Ku có vùng phủ sóng hẹp, nhu cầu sử dụng cao và giá mua sắm trang thiết bị đài trạm mặt đất làm việc với băng tần này thấp hơn băng C nên giá thuê sẽ cao hơn.
Trong khi đó, băng C phủ sóng diện rộng, không chỉ phục vụ nhu cầu trong nước mà còn phủ sóng tới nhiều nước trong khu vực châu Á - Thái Bình Dương, giá thiết bị đài trạm mặt đất đắt hơn nên mức giá thuê băng này sẽ thấp hơn, rất cạnh tranh với các vệ tinh khu vực. Ngoài ra, các khách hàng thuê dài hạn sẽ được ưu đãi giá. Nói chung, chúng tôi xây dựng phương án giá linh hoạt, phù hợp với từng đối tượng khách hàng, từng loại hình dịch vụ.
* Vậy đến khi nào mới có thể thu hồi vốn và có lãi?
- Theo tính toán, phải sau 12 năm khi VINASAT hoạt động mới bắt đầu có lãi. Tuổi thọ của VINASAT là 15 năm.
Theo dõi việc thu sóng truyền hình vệ tinh tại Trung tâm vệ tinh Quế Dương
* Theo ông, đầu tư gần 3.000 tỉ đồng cho một vệ tinh tuổi thọ 15 năm mà chỉ có ba năm để có lãi liệu có quá lãng phí?
- Theo dự báo, sau 12 năm mới bắt đầu có lãi, nhưng nếu nhu cầu tăng đột biến thì chúng ta có thể thu hồi vốn nhanh hơn. Chúng tôi tính 12 năm là phương án khả thi cao. Nhưng thật ra đây là vệ tinh đầu tiên và lợi nhuận được tính chỉ là lợi nhuận thuần túy về kinh tế. Những lợi ích khác khó có thể tính được chính là vị thế, thương hiệu quốc gia. Sở hữu một vệ tinh là cách để chúng ta khẳng định chủ quyền quốc gia trên quĩ đạo, bảo đảm các mục đích chính trị, xã hội, an ninh, quốc phòng.
* Hiện nay chúng ta đã có khách hàng nước ngoài đăng ký thuê vệ tinh chưa?
- Đã có một số doanh nghiệp nước ngoài làm việc với chúng tôi. Mình có hàng thì chắc chắn người ta sẽ đến thuê. Các nhà cung cấp vệ tinh khác hết hàng thì họ cũng sẵn sàng mua lại của mình để phục vụ khách hàng của họ, vì nhiều khách hàng cũng có nhu cầu phủ sóng ở khu vực chúng ta.
* Theo ông, người dùng các dịch vụ viễn thông, phát thanh, truyền hình... sẽ được hưởng lợi thế nào khi dịch vụ được cung cấp từ vệ tinh trong nước?
- Khi chúng ta chủ động được vệ tinh thì việc quản lý chất lượng, giá cả dịch vụ sẽ tốt hơn. Ngoài ra, việc xử lý sự cố, tình huống đột xuất cũng được chủ động hơn so với trường hợp phải thuê dung lượng vệ tinh của nước ngoài.
Chấp nhận bù lỗ
Hiện nay, bộ phận sản xuất và bộ phận phóng vệ tinh đã phối hợp với nhau và đang tiến hành đo thử đồng bộ. Vệ tinh VINASAT thật ra cũng chỉ là một phương tiện truyền dẫn nên bất cứ doanh nghiệp nào có nhu cầu đều có thể được thuê. Tuy nhiên, do đây là vệ tinh đầu tiên nên giá thuê sẽ phải tương đồng, cao hơn không nhiều so với các vệ tinh khác. Thậm chí, chúng ta phải tính toán chịu thiệt trong thời gian đầu, kể cả bù lỗ. Các nước khác khi kinh doanh vệ tinh đầu tiên bao giờ cũng khó khăn như vậy. Để khai thác VINASAT, VNPT sẽ thành lập một công ty quản lý vệ tinh.
Thứ trưởng Bộ Thông tin - truyền thông TRẦN ĐỨC LAI
VINASAT: cao 4m, nặng 2,7 tấn
Theo dự kiến, vào tuần cuối cùng của tháng ba tới (ngày 28 hoặc 29-3) VINASAT sẽ được tên lửa đẩy Arian 5 của Pháp phóng lên quĩ đạo từ bãi phóng French Guyana (Nam Mỹ). VINASAT sẽ nằm ở quĩ đạo 1320 đông, cách bề mặt Trái đất 35.768km.
VINASAT cao khoảng 4m, nặng 2,7 tấn, gồm 20 bộ phát đáp, trong đó tám bộ băng tần C, 12 bộ băng tần Ku (mỗi bộ phát đáp phục vụ được khoảng 500 kênh điện thoại hoặc 4-6 kênh truyền hình). Vùng phủ sóng băng Ku gồm VN, Lào, Campuchia, Thái Lan, một phần Myanmar. Vùng phủ sóng băng C gồm VN, Lào, Campuchia, đông nam châu Á, đông Trung Quốc, Triều Tiên, Ấn Độ, Nhật Bản, Úc.
Để chuẩn bị việc vận hành, khai thác VINASAT, tháng 1-2007, VNPT - chủ đầu tư dự án vệ tinh VINASAT - đã tiến hành khởi công xây dựng trạm điều khiển vệ tinh VINASAT tại Trung tâm vệ tinh Quế Dương (xã Cát Quế, huyện Hoài Đức, tỉnh Hà Tây) và Trạm điều khiển vệ tinh Bình Dương (xã Tân Định, huyện Bến Cát, tỉnh Bình Dương).
Cuối năm 2007, VNPT cũng đã ký hợp đồng bảo hiểm với liên danh Bảo Việt - Công ty cổ phần Bảo hiểm bưu điện. Theo hợp đồng, VNPT trả cho liên danh này 21 triệu USD và sẽ được bồi thường tối đa 177 triệu USD trong trường hợp rủi ro xảy ra đối với vệ tinh. Phạm vi bảo hiểm là những tổn thất hoặc hư hại xảy ra cho vệ tinh trong quá trình phóng và thời gian vệ tinh ở trên quĩ đạo một năm.
Các sản phẩm, dịch vụ do VINASAT cung cấp: ngoài mạng riêng dùng cho an ninh, quốc phòng, cũng sẽ cung cấp mạng riêng cho các cơ quan, doanh nghiệp, cho thuê dung lượng vệ tinh trên cơ sở trọn bộ phát đáp hoặc dung lượng lẻ..., đáp ứng nhu cầu cung cấp các dịch vụ truyền hình, phát thanh, điện thoại, truyền số liệu, đào tạo từ xa, y tế từ xa... Ưu điểm lớn nhất của VINASAT nói riêng và vệ tinh nói chung là có thể cung cấp dịch vụ đến tận các vùng địa lý xa xôi, góp phần hoàn thiện mạng viễn thông VN.
http://www.tuoitre.com.vn/Tianyon/Index.aspx?ArticleID=240322&ChannelID=16
Wednesday, January 30, 2008
Saturday, January 19, 2008
Kỹ thuật mới chế tạo butanol loại nhiên liệu sinh học tốt hơn ethanol
Kỹ thuật mới chế tạo butanol loại nhiên liệu sinh học tốt hơn ethanol - 18/1/2008 14h:26
Đội ngũ các nhà nghiên cứu do một kỹ sư môi trường đứng đầu ở trường đại học Washington tại Louis đang miệt mài với những kỹ thuật mới để sản xuất ra một loại nhiên liệu sinh học tốt hơn ethanol mang tên Butanol.
Có nguồn gốc từ các nguyên liệu chứa lignocellulosic, đây là các phần sinh khối thực vật gồm có thân gỗ và rơm đến bã nông nghiệp, xơ bắp và vỏ trấu, tất cả đều chứa một lượng lớn chất xơ và một số chất gỗ. Butanol được coi là nhiên liệu sinh học tốt hơn ethanol vì nó ít bị hao mòn và có giá trị calo cao hơn nên nó cung cấp giá trị năng lượng cao hơn. Giống như ethanol, butanol là chất để thêm vào dầu hỏa.
Tiến sĩ Lars Angenent – phó giáo sư của khoa kỹ thuật hóa học, môi trường và năng lượng đã lấy xơ bắp đã qua xử lý (một phụ phẩm trong quá trình sản xuất ethanol từ bắp) từ các cộng tác viên của mình ở Bộ Nông Nghiệp Mỹ (USDA) tại Peoria, III, và để sinh khối chứa lignocellulosic này vào các máy khử bao gồm việc nuôi cấy hỗn hợp có trọn lựa của hàng ngàn vi khuẩn khác nhau để chuyển đổi sinh khối thành hợp chất butirat.
Lars Angenent, kỹ sư môi trường của trường đại học Washington ở St. Louis trong phòng thí nghiệm Urbauer Hall của mình. Angenent là một thành viên quan trọng trong đội ngũ sử dụng những kỹ thuật mới để sản xuất nhiên liệu sinh học butanol. (Ảnh: PhysOrg.com)
Từ đó, chất liệu được gửi trở lại Peoria, nơi một cộng tác viên khác là tiến sĩ Nasib Qureshi sẽ biến đổi hợp chất butirat thành butanol bằng cách sử dụng các chất gây men.
Các nhà nghiên cứu của Bộ Nông nghiệp Mỹ là tiến sĩ Bruce Dien và Michael Cotta sử dụng những kỹ thuật hóa học và vật lý nhằm làm cho nguyên liệu chứa lignocellulosic khó phân rã trở nên dễ phân rã hơn, đây là một bước quan trọng cho phép việc nuôi cấy trung gian hỗn hợp của Angenent để thực hiện việc biến đổi chất này.
Ông đã sử dụng một loại nuôi cấy hỗn hợp chứa hàng ngàn vi sinh vật khác nhau và đánh giá một cách lạc quan các điều kiện môi trường để chọn lựa tập đoàn vi khuẩn tạo một môi trường có lợi cho việc biến đổi xơ bắp thành hợp chất butirat.
Kỹ thuật nuôi cấy hỗn hợp
Angenent cho biết: “Bước đột phá trong phòng thí nghiệm của tôi là việc sử dụng các loại nuôi cấy hỗn hợp. Lợi ích của các loại nuôi cấy hỗn hợp là chỉ cần lấy bất cứ chất thải nguyên liệu nào và biến đổi nó thành nguyên liệu đáng giá thông qua các thao tác của chúng tôi. Ví dụ như tôi có thể biến đổi độ Ph trong kiểu nuôi cấy này. Bằng cách duy trì nó trung tính, tôi có thể thu được khí metan, nhưng khi hạ thấp độ Ph xuống, tôi có thể thu được hợp chất butirat. Mặt khác, nếu tôi có một kiểu nuôi cấy thuần khiết, tôi sẽ không phải lo lắng gì về những vi sinh vật khác làm biến đổi hay làm ô nhiễm môi trường."
Sinh khối có chứa lignocellulosic rất đa dạng, có thể tái tạo, và là một cách hữu hiệu để xử lý các chất thải. Bằng cách sử dụng nó, chúng tôi sẽ mở ra những cánh cửa cơ hội về kinh tế tốt hơn cho các nhà sản xuất vụ mùa và dân cư nông thôn. Do loại sinh khối này có tính năng trung tính cacbon, nên chúng tôi không phải lo lắng về việc cacbon dioxit bị phát thải ra môi trường.”
Trong những năm gần đây, với việc sử dụng các tế bào năng lượng vi sinh vật và các kiểu nuôi cấy trung gian hỗn hợp của mình, Angenent đã chế tạo ra điện hay hyđrô trong quá trình xử lý nước thải.
Cùng với các cộng tác viên nghiên cứu của Bộ Nông nghiệp, ông là nhà điều tra nghiên cứu chủ chốt được Bộ Nông nghiệp Mỹ trao tặng 425.000 đô la Mỹ cho nghiên cứu này.
Xu hướng butanol đang ngày càng gia tăng. Năm 2006, hãng hóa học Dupont và công ty dầu mỏ BP của Anh đã tuyên bố hợp tác với công ty đường Anh (British Sugar) để giới thiệu butanol được chế tạo từ củ cải đường làm thành chất pha trộn vào dầu hỏa ở Vương quốc Anh.
http://www.khoahoc.com.vn/view.asp?Cat_ID=4&Cat_Sub_ID=11&news_id=19035
Đội ngũ các nhà nghiên cứu do một kỹ sư môi trường đứng đầu ở trường đại học Washington tại Louis đang miệt mài với những kỹ thuật mới để sản xuất ra một loại nhiên liệu sinh học tốt hơn ethanol mang tên Butanol.
Có nguồn gốc từ các nguyên liệu chứa lignocellulosic, đây là các phần sinh khối thực vật gồm có thân gỗ và rơm đến bã nông nghiệp, xơ bắp và vỏ trấu, tất cả đều chứa một lượng lớn chất xơ và một số chất gỗ. Butanol được coi là nhiên liệu sinh học tốt hơn ethanol vì nó ít bị hao mòn và có giá trị calo cao hơn nên nó cung cấp giá trị năng lượng cao hơn. Giống như ethanol, butanol là chất để thêm vào dầu hỏa.
Tiến sĩ Lars Angenent – phó giáo sư của khoa kỹ thuật hóa học, môi trường và năng lượng đã lấy xơ bắp đã qua xử lý (một phụ phẩm trong quá trình sản xuất ethanol từ bắp) từ các cộng tác viên của mình ở Bộ Nông Nghiệp Mỹ (USDA) tại Peoria, III, và để sinh khối chứa lignocellulosic này vào các máy khử bao gồm việc nuôi cấy hỗn hợp có trọn lựa của hàng ngàn vi khuẩn khác nhau để chuyển đổi sinh khối thành hợp chất butirat.
Lars Angenent, kỹ sư môi trường của trường đại học Washington ở St. Louis trong phòng thí nghiệm Urbauer Hall của mình. Angenent là một thành viên quan trọng trong đội ngũ sử dụng những kỹ thuật mới để sản xuất nhiên liệu sinh học butanol. (Ảnh: PhysOrg.com)
Từ đó, chất liệu được gửi trở lại Peoria, nơi một cộng tác viên khác là tiến sĩ Nasib Qureshi sẽ biến đổi hợp chất butirat thành butanol bằng cách sử dụng các chất gây men.
Các nhà nghiên cứu của Bộ Nông nghiệp Mỹ là tiến sĩ Bruce Dien và Michael Cotta sử dụng những kỹ thuật hóa học và vật lý nhằm làm cho nguyên liệu chứa lignocellulosic khó phân rã trở nên dễ phân rã hơn, đây là một bước quan trọng cho phép việc nuôi cấy trung gian hỗn hợp của Angenent để thực hiện việc biến đổi chất này.
Ông đã sử dụng một loại nuôi cấy hỗn hợp chứa hàng ngàn vi sinh vật khác nhau và đánh giá một cách lạc quan các điều kiện môi trường để chọn lựa tập đoàn vi khuẩn tạo một môi trường có lợi cho việc biến đổi xơ bắp thành hợp chất butirat.
Kỹ thuật nuôi cấy hỗn hợp
Angenent cho biết: “Bước đột phá trong phòng thí nghiệm của tôi là việc sử dụng các loại nuôi cấy hỗn hợp. Lợi ích của các loại nuôi cấy hỗn hợp là chỉ cần lấy bất cứ chất thải nguyên liệu nào và biến đổi nó thành nguyên liệu đáng giá thông qua các thao tác của chúng tôi. Ví dụ như tôi có thể biến đổi độ Ph trong kiểu nuôi cấy này. Bằng cách duy trì nó trung tính, tôi có thể thu được khí metan, nhưng khi hạ thấp độ Ph xuống, tôi có thể thu được hợp chất butirat. Mặt khác, nếu tôi có một kiểu nuôi cấy thuần khiết, tôi sẽ không phải lo lắng gì về những vi sinh vật khác làm biến đổi hay làm ô nhiễm môi trường."
Sinh khối có chứa lignocellulosic rất đa dạng, có thể tái tạo, và là một cách hữu hiệu để xử lý các chất thải. Bằng cách sử dụng nó, chúng tôi sẽ mở ra những cánh cửa cơ hội về kinh tế tốt hơn cho các nhà sản xuất vụ mùa và dân cư nông thôn. Do loại sinh khối này có tính năng trung tính cacbon, nên chúng tôi không phải lo lắng về việc cacbon dioxit bị phát thải ra môi trường.”
Trong những năm gần đây, với việc sử dụng các tế bào năng lượng vi sinh vật và các kiểu nuôi cấy trung gian hỗn hợp của mình, Angenent đã chế tạo ra điện hay hyđrô trong quá trình xử lý nước thải.
Cùng với các cộng tác viên nghiên cứu của Bộ Nông nghiệp, ông là nhà điều tra nghiên cứu chủ chốt được Bộ Nông nghiệp Mỹ trao tặng 425.000 đô la Mỹ cho nghiên cứu này.
Xu hướng butanol đang ngày càng gia tăng. Năm 2006, hãng hóa học Dupont và công ty dầu mỏ BP của Anh đã tuyên bố hợp tác với công ty đường Anh (British Sugar) để giới thiệu butanol được chế tạo từ củ cải đường làm thành chất pha trộn vào dầu hỏa ở Vương quốc Anh.
http://www.khoahoc.com.vn/view.asp?Cat_ID=4&Cat_Sub_ID=11&news_id=19035
Wednesday, January 16, 2008
TP HCM giới thiệu xe hơi chạy bằng không khí
TP HCM giới thiệu xe hơi chạy bằng không khí - 28/12/2007 10h:28
Xe hơi chạy bằng... không khí! Loại xe công nghệ mới này đã được giới thiệu tại Sở Khoa học - Công nghệ TP.HCM vào ngày 27/12. Với 150 - 200 lít không khí, xe có thể chạy được 133km, vận tốc 60km/giờ.
Ngày 27/12, một cuộc họp giới thiệu công nghệ khí nén (compressed air technology system – CAT) ứng dụng trong máy xe hơi đã được tổ chức tại TP.HCM. Ba thành phần tham gia là đại diện Sở Khoa học – Công nghệ (KH-CN) TP.HCM, Tổng Công ty Cơ khí Vận tải Giao thông (SAMCO) và TS Lê Sinh – Việt kiều Pháp.
Xe chạy bằng không khí
TS Lê Sinh năm nay 65 tuổi. Ông đã sang Nhật vào năm 1965. Năm 1968, ông sang Pháp lấy bằng tiến sĩ ngành Địa chất và định cư tại đó. Trong một cơ duyên, ông đã tiếp cận được với công nghệ khí nén này và quen biết với người đã phát minh ra nó.
TS. Lê Sinh bên chiếc xe ô tô chạy bằng không khí nén của hãng MDI. (Ảnh: Tư liệu)
Quá say mê công nghệ mới, đồng thời trước tình trạng giá xăng dầu đang tăng trong khi cả thế giới đang báo động về tình trạng ô nhiễm, TS Lê Sinh đã theo đuổi và tìm mọi cách để giới thiệu công nghệ mới này về Việt Nam. Ông cho biết, công nghệ khí nén ứng dụng trong xe hơi là phát minh của Paul Durand. Paul Durand là kỹ sư chuyên về mô tơ dành cho xe đua của hãng Renault.
“Khác với các loại xe thông thường, tất cả xe đua sử dụng không khí nén để đẩy không khí vào xilanh với áp suất cao. Xăng cũng được đẩy vào xilanh theo phương cách này. Paul Durand phát hiện ra trong nhiều trường hợp, xe đua dù hết xăng nhưng vẫn có thể chạy được. Không khí được đẩy dưới áp suất mạnh nên có thể thay nhiên liệu đốt", TS Sinh nói.
Từ đó, Paul Durand đã nghiên cứu một loại mô tơ chỉ sử dụng không khí. 10 năm, phát minh ra đời. Hiện nay, Paul Durand là Giám đốc Công ty Moteur Development International - MDI, nơi quản lý bản quyền loại mô tơ ứng dụng công nghệ không khí nén này.
Hiện nay, các loại xe MDI đang sử dụng các mô tơ thuộc sê ri 34. Đây là mô tơ có 4 xi lanh, 800 phân khối, 25 mã lực với vòng quay 4.000 lần/phút. Trọng lượng của mô tơ nặng 28kg.
Bình chứa không khí nén được chế tạo dựa trên một công nghệ đặc biệt. Đó là công nghệ chế tạo các bình chứa oxy lỏng hay kinh khí lỏng dùng trong phi thuyền không gian. Người ta đã chế tạo một loại bình nhựa có quấn sợi cacbon. Do đó bình sẽ không phát nổ. Khi không chịu nổi áp lực, các sợi cacbon sẽ giãn ra nên bình chỉ chịu tình trạng xì không khí.
Mô tơ được nối với một động cơ điện 5kW. Động cơ này được dùng để quay mô tơ khi sử dụng mô tơ với chức năng máy nén khí cao áp. Ngoài ra động cơ điện còn đóng vai trò như máy đề, máy sạc bình, phanh điện, và hỗ trợ năng lượng (khi xe leo dốc chẳng hạn).
Một chiếc ô tô MDI 4 chỗ, hay còn gọi là CityCat, thường có độ dài từ 3,84 - 3,9m, rộng 1,72m và cao 1,75m. Mỗi xe được trang bị 3 bình không khí nén, với 100lit/bình. Mô tơ sẽ có nhiệm vụ đẩy hai bánh sau. Còn 2 bánh trước có nhiệm vụ lái.
Ngoại trừ các cửa kính, sườn xe làm bằng hợp kim nhôm, cứng chắc, nhẹ, không sét rỉ. Vỏ xe (mui, cửa...) làm bằng composite hai mặt đặc biệt, lõi xốp (bằng sáng chế công nghệ MDI). Xe còn trang bị 4 thắng dĩa. Mọi điều khiển nằm trên tay lái. Và hệ thống điện 1 dây.
Sơ đồ bố trí trong một chiếc xe taxi sử dụng công nghệ không khí nén. (Ảnh: TS. Lê Sinh)
“Không khí liên tục được đẩy vào xilanh, nên không khí nén bị giãn ra và hấp thu nhiệt. Do đó, càng chạy, máy càng lạnh. Tuy đối với các nước ôn đới, điều này không được hoan nghênh, nhưng ở các nước nhiệt đới như Việt Nam, đây là một điều kiện rất thuận lợi. Chúng ta không cần sử dụng năng lượng để làm lạnh không khí trong xe”, TS Lê Sinh trình bày.
Bên cạnh đó, khác với xe chạy bằng điện không phát ra tiếng ồn, xe chạy bằng không khí sẽ phát ra những tiếng động như tiếng "xì" do không khí chuyển động trong xi-lanh. Đây là một yếu tố an toàn dành cho người đi đường và các phương tiện di chuyển khác.
Quan trọng là nguồn động lực
TS Lê Sinh cho biết, MDI chỉ bán bản quyền công nghệ và một nhà máy sản xuất ô tô trọn gói hết 9,5 triệu euro. Trong đó, bản quyền công nghệ là 6 triệu euro.
Mới đây, hồi tháng 7/2007, một công ty sản xuất ô tô Ấn Độ, Tata, đã ký hợp đồng mua bản quyền tất cả các loại mô tơ dành cho các loại xe hiện có và sắp tới với giá là 100 triệu euro. Công ty này dự tính sẽ sản xuất và bán xe với giá 3.500 USD.
Hiện nay, ở các nhà máy sản xuất ô tô bình thường, một xe ô tô hoàn chỉnh mất từ 1 - 2 phút. Còn loại xe công nghệ khí nén cần 30 phút. Do đó, với 10 giờ/ngày người ta chỉ sản xuất được khoảng 20 xe. TS Sinh tính toán, nếu lợi nhuận ước tính là 1.000 USD/xe. Một năm công suất nhà máy sản xuất khoảng 5.000 xe thì sau 3 năm doanh nghiệp có thể thu hồi lại vốn.
Ông Trần Quốc Toản - Phó Tổng Giám đốc SAMCO, cho rằng không thể tính toán lợi nhuận như thế được. Vì một năm sản xuất được 5.000 xe nhưng có thể chỉ bán được 100 xe.
Theo ông Toản, Việt Nam hiện đang phát triển, cơ sở hạ tầng còn kém, phụ thuộc rất nhiều vào sự điều chỉnh của Nhà nước. Do đó, cần có một đề tài nghiên cứu tính khả thi của công nghệ ô tô sử dụng không khí nén này. Qua đó tìm đầu ra của thị trường và cung cấp thông tin cho các doanh nghiệp.
TS Lê Sinh cho biết, công nghệ này không chỉ áp dụng cho ô tô mà còn có thể áp dụng trong nhiều lĩnh vực khác như: máy bơm nước, sản xuất xe máy... Do đó, đầu ra không chỉ là ô tô.
Còn PGS,TS Lê Hoài Quốc, Phó Giám đốc Sở KH-CN TP.HCM, nói rằng không phải tự nhiên châu Âu đưa ra tiêu chuẩn môi trường cao, kiểm soát khí thải từ các loại xe rất khắt khe. Công nghệ không khí nén là một nguồn động lực mới mà triển vọng ứng dụng rất cao. Do đó, ông hứa nếu TS. Lê Sinh cần gì, Sở KH-CN TP.HCM sẵn sàng hỗ trợ trong khả năng của mình.
Trước mắt, ông Lê Hoài Quốc gợi ý có thể tổ chức một hội thảo chuyên đề. Trong đó, thành phần tham dự sẽ là các nhà quản lý, các nhà khoa học, các trường ĐH, viện... để tìm hiểu sâu hơn về công nghệ này.
Một đại diện khác của Sở KH-CN TP.HCM nói, hiện nay ở Pháp đã cho phép lưu hành loại xe này, nên đề nghị TS. Lê Sinh tìm giúp các tiêu chuẩn để xe có thể lưu hành trên thị trường Việt Nam. Ông cho biết, trước đây xe chạy bằng gas ban đầu lưu hành trên thị trường cũng gặp nhiều khó khăn về mặt tiêu chuẩn. Hiện nay, cơ chế quản lý của Việt Nam vẫn chưa mở, nên chưa có quy định nào dành cho các loại xe thuộc công nghệ mới như thế.
Do đó, thời gian để ô tô áp dụng công nghệ không khí nén được sản xuất và lưu hành ở Việt Nam phải tính theo năm, chứ không thể nhanh hơn được.
http://www.khoahoc.com.vn/view.asp?Cat_ID=10&Cat_Sub_ID=0&news_id=18775
Friday, January 11, 2008
Truy tìm tung tích cảm giác lạnh
Truy tìm tung tích cảm giác lạnh - 9/1/2008 13h:9
Julie Steenhuysen
Các nhà nghiên cứu Hoa Kỳ cho biết, những dây thần kinh nhận lệnh từ một loại protein rồi gửi thông tin đi về một cái táp thấu xương của một cơn gió lạnh cắt da cắt thịt hay đơn giản chỉ là một làn gió thoảng qua. Khám phá này làm sáng tỏ câu hỏi về cách mà chúng ta cảm nhận cái lạnh.
Các nghiên cứu trước đó đã cho thấy các nơ-ron cảm nhận cái lạnh đều được chuyên môn hoá, một số nơ-ron nhận biết cảm giác lạnh thấu xương, còn một số khác lại chuyên biệt với những cảm giác dễ chịu hơn.
Tuy nhiên, các nhà khoa học tại trường đại học Nam California lại phát hiện ra rằng, mặc dù hầu hết các nơ-ron cảm nhận cái lạnh đều sử dụng chỉ một loại protein có tên TRPM8 nhưng chúng lại có thể phát hiện được rất nhiều cảm giác.
Đi trong bão tuyết tại thành phố Quebec, hôm 16 – 12 - 2007. (Ảnh: Reuters)
David McKemy, người đã có nghiên cứu xuất bản trên tập san Neuroscience đã nói trong một cuộc phỏng vấn qua điện thoại: “Tất cả chúng ta đều biết khi bị lạnh, chúng ta cảm nhận được rõ ràng. Chúng ta sẽ thấy một cơn đau buốt lan toả nhanh chóng nhưng chỉ tạm thời và âm ỉ”.
Các nhóm nghiên cứu khác lại cho biết có hai nơ-ron cảm nhận cái lạnh khác nhau có liên quan trong sự việc này. McKemy nói: “Có quan niệm cho rằng tồn tại những nơ-ron gọi là sợi nhận biết cảm giác lạnh và những nơ-ron khác nhận biết cảm giác đau.”
Ông cũng hy vọng các nơ-ron sản xuất ra TRPM8 có thể nhận biết cảm giác lạnh ở nhiều trạng thái khác nhau. Để tìm hiểu những nơ-ron này, McKemy tiến hành thao tác nhuộm gen với chuột. Các sợi nơ-ron sản xuất loại protein nói trên sẽ có màu xanh huỳnh quang, sau đó ông lần theo những sợi này từ các nơ-ron cảm giác gần dây cột sống đến các dây thần kinh nằm trên da.
McKemy nói: “Nghiên cứu cho thấy, những nơ-ron này tuy sản xuất ra chỉ một loại protein, nhưng dường như chúng lại đa chức năng. Con người cũng có khả năng y hệt."
McKemy cho biết, các dây thần kinh sản xuất protein TRPM8 chiếm khoảng 75% số lượng nơ-ron nhận biết cảm giác lạnh. Ông tin có những loại nơ-ron khác chuyên biệt với cảm giác đau đớn, ví dụ như khi da chúng ta bị tê cóng.
Các nhà nghiên cứu tìm hiểu về nơ-ron nhận biết cảm giác lạnh nhằm nắm được cơ chế phân tử của cảm giác này, từ đó nghiên cứu những loại thuốc tốt hơn làm giảm cảm giác đau đớn.
McKemy nói: “Nếu chúng ta hiểu được những bí ẩn nhỏ nhưng rất cơ bản và quan trọng về phân tử và các nơ-ron, cách chúng nhận biết cơn đau bình thường thì chúng ta có thể biết được tại sao chúng ta lại thấy đau vào những thời điểm nên tránh”.
http://www.khoahoc.com.vn/view.asp?Cat_ID=6&Cat_Sub_ID=5&news_id=18922
Julie Steenhuysen
Các nhà nghiên cứu Hoa Kỳ cho biết, những dây thần kinh nhận lệnh từ một loại protein rồi gửi thông tin đi về một cái táp thấu xương của một cơn gió lạnh cắt da cắt thịt hay đơn giản chỉ là một làn gió thoảng qua. Khám phá này làm sáng tỏ câu hỏi về cách mà chúng ta cảm nhận cái lạnh.
Các nghiên cứu trước đó đã cho thấy các nơ-ron cảm nhận cái lạnh đều được chuyên môn hoá, một số nơ-ron nhận biết cảm giác lạnh thấu xương, còn một số khác lại chuyên biệt với những cảm giác dễ chịu hơn.
Tuy nhiên, các nhà khoa học tại trường đại học Nam California lại phát hiện ra rằng, mặc dù hầu hết các nơ-ron cảm nhận cái lạnh đều sử dụng chỉ một loại protein có tên TRPM8 nhưng chúng lại có thể phát hiện được rất nhiều cảm giác.
Đi trong bão tuyết tại thành phố Quebec, hôm 16 – 12 - 2007. (Ảnh: Reuters)
David McKemy, người đã có nghiên cứu xuất bản trên tập san Neuroscience đã nói trong một cuộc phỏng vấn qua điện thoại: “Tất cả chúng ta đều biết khi bị lạnh, chúng ta cảm nhận được rõ ràng. Chúng ta sẽ thấy một cơn đau buốt lan toả nhanh chóng nhưng chỉ tạm thời và âm ỉ”.
Các nhóm nghiên cứu khác lại cho biết có hai nơ-ron cảm nhận cái lạnh khác nhau có liên quan trong sự việc này. McKemy nói: “Có quan niệm cho rằng tồn tại những nơ-ron gọi là sợi nhận biết cảm giác lạnh và những nơ-ron khác nhận biết cảm giác đau.”
Ông cũng hy vọng các nơ-ron sản xuất ra TRPM8 có thể nhận biết cảm giác lạnh ở nhiều trạng thái khác nhau. Để tìm hiểu những nơ-ron này, McKemy tiến hành thao tác nhuộm gen với chuột. Các sợi nơ-ron sản xuất loại protein nói trên sẽ có màu xanh huỳnh quang, sau đó ông lần theo những sợi này từ các nơ-ron cảm giác gần dây cột sống đến các dây thần kinh nằm trên da.
McKemy nói: “Nghiên cứu cho thấy, những nơ-ron này tuy sản xuất ra chỉ một loại protein, nhưng dường như chúng lại đa chức năng. Con người cũng có khả năng y hệt."
McKemy cho biết, các dây thần kinh sản xuất protein TRPM8 chiếm khoảng 75% số lượng nơ-ron nhận biết cảm giác lạnh. Ông tin có những loại nơ-ron khác chuyên biệt với cảm giác đau đớn, ví dụ như khi da chúng ta bị tê cóng.
Các nhà nghiên cứu tìm hiểu về nơ-ron nhận biết cảm giác lạnh nhằm nắm được cơ chế phân tử của cảm giác này, từ đó nghiên cứu những loại thuốc tốt hơn làm giảm cảm giác đau đớn.
McKemy nói: “Nếu chúng ta hiểu được những bí ẩn nhỏ nhưng rất cơ bản và quan trọng về phân tử và các nơ-ron, cách chúng nhận biết cơn đau bình thường thì chúng ta có thể biết được tại sao chúng ta lại thấy đau vào những thời điểm nên tránh”.
http://www.khoahoc.com.vn/view.asp?Cat_ID=6&Cat_Sub_ID=5&news_id=18922
Saturday, January 5, 2008
Giải Nobel Vật Lý 2007 và Kỹ Thuật Nano
Giải Nobel Vật Lý 2007 và Kỹ Thuật Nano
[16/12/2007 - Tác giả: admin1 - Vietnam Review]
Nguyễn Trọng Cơ
Sherman Oaks, California
15-12-2007
Năm nay giải Nobel Vật lý được phát cho hai khoa học gia Âu Châu, một Pháp, một Đức. Đó là các ông:
- Albert Fert, làm việc tại Đại học Paris-Sud, Orsay, Pháp, và
- Peter Grünberg, làm việc tại Trung tâm Khảo cứu Jülich, Jülich, Đức.
Hai ông đều xấp xỉ bảy mươi. Ông Fert sinh năm 1938, còn ông Grünberg sinh năm 1939. Giống như mấy năm trước, số tiền thưởng vẫn là 10 triệu đồng Thụy Điển (khoảng 1.55 triệu Mỹ kim).
Gần 20 năm trước, năm 1988, trong lúc khảo cứu riêng rẽ, hai ông đã cùng khám phá ra một hiệu ứng mới lạ sau đây. Trong một số cấu trúc kim loại đặc biệt, ở điều kiện thích hợp, chỉ cần một thay đổi nhỏ của từ trường (magnetic field) cũng có thể gây ra một biến đổi rất lớn trong điện trở (electrical resistance) của cấu trúc này. Có tên là hiệu ứng GMR, Giant MagnetoResistance (tạm dịch: Biến đổi Cực lớn của Điện trở do Từ trường), khám phá trên đã được nhanh chóng mang vào kỹ nghệ làm Đầu đọc (read-out head) trong Đĩa cứng (hard disks) của máy điện toán. Kỹ thuật mới mẻ này đã gia tăng bội phần sức chứa của đĩa cứng và giảm giá thành, khiến dịch vụ khoảng 40 tỷ đô la hàng năm của đĩa cứng phát triển một cách ngoạn mục.
Đằng khác, hiệu ứng GMR đạt được là nhờ một kỹ thuật tạo những Màng (film) rất mỏng của các loại vật chất khác nhau, khám phá trong những năm 1970. Mỏng đến độ bề dầy chỉ gồm vài ba nguyên tử vật chất. Ta biết rằng kích thước nguyên tử rất nhỏ, khoảng từ 0.1 đến 0.5 nm (nano mét, một phần tỷ, 1/1,000,000,000 của mét) (10). Các khoa học gia đang ráo riết tìm hiểu hoạt động của vật chất ở kích thước vô cùng nhỏ này, và đặt tên ngành kỹ thuật/công nghệ tương ứng là Nanotechnology (kỹ thuật/công nghệ nano). Như vậy khám phá GMR của hai ông Fert và Grünberg có thể được coi là một trong những ứng dụng thực sự đầu tiên của kỹ thuật nano.
Để thấy rõ sự đóng góp của hai ông vào dòng khảo cứu khoa học kỹ thuật hiện đại, trong bài này người viết sẽ đưa vào một số tin tức liên hệ đến kỹ thuật nano và đĩa cứng.
Kỹ Thuật/Công Nghệ Nano (nanotechnology)
Như trên đã nói, một cách đơn giản, kỹ thuật nano liên hệ đến vật chất ở kích thước nhỏ, thí dụ như một nhóm nguyên tử hay phân tử.
Như vậy kỹ thuật nano khác với kỹ thuật điện tử hiện nay ra sao?
Hiện nay chúng ta đang ở thời đại vi điện tử (microelectronics). Thật vậy, hàng ngày ta thường nghe thấy những từ microcomputer (máy vi tính), miroprocessor (bộ vi xử lý),...Chữ micro, ngoài nghĩa thông thường là nhỏ (vi), còn là từ đặt ở đầu (prefix) để chỉ một phần triệu (10). Thí dụ như một micro mét, hay micron là một phần triệu của mét (1/1,000,000). Trong một chip (mẩu) điện tử nhỏ li ti ta có thể xếp đặt một số lớn Bóng bán dẫn (transistors) với kích thước trung bình mỗi cái khoảng 1/4 micron (tài liệu năm 2001). Để có thể tưởng tượng một micron nhỏ như thế nào ta hãy nhìn vào một sợi tóc và lưu ý là đường kính của sợi tóc này ở khoảng 57 - 90 microns. Vi trùng (bacteria/vi khuẩn) thường có đường kính vài microns, không thể nhìn được bằng mắt trần. Vì một nano mét bằng một phần tỷ của mét, nên riêng về bề dài, đại cương thế giới nano sẽ gồm những bộ phận nhỏ cỡ một phần ngàn các bộ phận trong thế giới micro! Có thể gọi đây là thế giới Siêu vi điện tử (nanoelectronics).
Từ lâu các vật lý gia biết rằng ở mức vô cùng nhỏ của thế giới nano, các định luật vật lý cổ điển, vốn áp dụng vào các vật thể hàng ngày, không còn giá trị nữa. Các tính toán sẽ phải dựa vào các định luật hiện đại của ngành Cơ học lượng tử (1) và thuyết Tương đối (2). Mặc dù biết rằng vấn đề sẽ vô cùng phức tạp, cách đây gần 50 năm, năm 1959, khi ngành vi điện tử vẫn còn trong thời kỳ phôi thai, vật lý gia Richard Feynman (3) đã cố gắng thúc giục các khoa học gia lưu tâm đến một kỹ thuật điều khiển các vật nhỏ cỡ nguyên tử. Lúc đó ông nói: "... I will not now discuss how we are going to do it, but only what is possible in principle..." (tạm dịch: "...Lúc này tôi sẽ không bàn về phương cách thực hiện, mà chỉ nói về những gì khả thi trên nguyên tắc..."). Mặc dù rất thích thú về đề tài này, nhưng thấy nhiều khó khăn trước mắt, ông không liên tục tập trung sức lực vào sự tìm tòi trên. Cho đến nay khi các khoa học gia biết rõ là các định luật trong cơ học lượng tử có thể hoàn toàn khống chế các hoạt động của những bộ phận cỡ nano thì ngành kỹ thuật nano, mặc dù còn nhiều giới hạn, phần nào đã trở thành hiện thực.
Trong số những khó khăn khi đi vào kỹ thuật nano có hai vấn đề quan trọng sau đây phải được đặc biệt lưu ý. Thứ nhất là sự thông tin, liên lạc giữa thế giới nano và thế giới bình thuờng (macroworld). Theo lý thuyết cơ học lượng tử, ta biết rằng khi ta cố gắng đo lường trong hệ thống những hạt vô cùng nhỏ (quantum system) ta sẽ làm xáo trộn chúng. Do đó, vì có sự khác biệt giữa các định luật vật lý, sự trao đổi tin tức giữa hai thế giới sẽ rất khó trung thực. Thứ hai là bề mặt (surfaces) của các vật thể. Trong thế giới micro hiện nay, các định luật của vật lý thể rắn luôn luôn được áp dụng với điều kiện tiên quyết là tỷ số giữa diện tích và thể tích (surface to volume ratio) của vật thể phải vô cùng nhỏ. Nói cách khác, định luật chỉ áp dụng trong những khối lớn (bulk). Trong kỹ thuật nano ta không thể có điều kiện này. Do đó ta phải kiếm cách giảm ảnh huởng của bề mặt vật thể.
Để có thể sản xuất những thiết bị thực dụng không nhỏ quá mà vẫn có những đặc tính của kỹ thuật nano, người đề ra một Độ lớn bậc trung (mesoscale). Những vật thể ở mesoscale có kích thước từ một đến vài trăm nano mét, được cấu thành từ sự tích lũy của một số lớn nguyên tử hay phân tử. Với số lượng hạt tử lớn như vậy ta còn có thể áp dụng những định luật vật lý cổ điển nhưng vẫn phải để ý đến ảnh hưởng của cơ học lượng tử.
Thông thường có hai cách để đi vào kỹ thuật nano, top-down (từ trên xuống) và bottom-up (từ dưới lên). Theo hướng thứ nhất, các nhà sản xuất chip điện tử đang thu nhỏ dần các transistors, vốn là đơn vị cơ bản để xây dựng những microprocessors (bộ vi xử lý), memory chips (chip nhớ), controllers (bộ điều khiển),...Như trên đã nói, hiện nay kích thước một transistor khoảng trên dưới 0.1 micron hay 100 nano mét. Hãng sản xuất chip điện tử Intel đã có những khảo cứu và phát triển để có thể sản xuất những transistors có kích thước nhỏ dần từ 65 nm xuống đến 22 nm. Lưu ý là sản xuất các transistors có kích thước dưới 100 nm là một bước nhảy vọt trong kỹ thuật. Ta không thể dùng những thiết bị hiện tại để sản xuất những transistors cực nhỏ này. Để thay đổi có thể sẽ rất tốn kém (4).
Khi theo hướng "từ dưới lên," ta phải bắt đầu từ những nguyên tử hay phân tử để xây dựng dần lên cơ cấu nano. Hai sản phẩm đã được biết đến từ nhiều năm nay là Ống nano (nanotubes) và Chấm lượng tử (quantum dots) (5). Vì thường chỉ dùng những phản ứng hóa học đã được khéo léo kiểm soát nên phương pháp này có lợi điểm là không tốn kém. Tuy nhiên, vì không thể sản xuất hàng loạt những mẫu vật đã được thiết kế và có liên hệ với nhau nên phương pháp này chưa thể áp dụng vào kỹ nghệ điện tử.
Trong lãnh vực sinh học, các khoa học gia cũng đang cố gắng xây dựng những Bộ máy nano (nanomachines) khi quan sát chuyển động của các vi sinh vật. Ta biết rằng một số đơn bào (one-celled organisms) có thể di chuyển được là nhờ những Tua/Đuôi (flagella) và một bộ Máy quay (rotor) cực nhỏ, cỡ 10 nano mét, nằm trong tế bào. Rotor này có thể quay rất nhanh, làm các đuôi cựa quậy liên tục khiến đơn bào có thể chuyển động dễ dàng. Thí dụ như tinh trùng (sperm) có thể di chuyển với vận tốc cỡ 60 - 160 microns mỗi giây. Đây là một vận tốc khá lớn vì kích thước của tinh trùng chỉ khoảng 25 microns. Rotor cấu tạo bởi protein, và có thể quay nhanh tới hàng ngàn vòng mỗi phút. Năng lượng được cung cấp bởi nguồn hóa năng quen biết trong tế bào, có tên Adenosine TriPhosphate (ATP). Khoa học gia Montemagno tại đại học Cornell đã tạo được một bộ máy nano đầu tiên bằng cách cô lập một rotor rồi nối với một sợi kim loại hình trụ (nanorod) dài cỡ 750 nano mét, đường kính 150 nano mét. Nanorod có thể quay được 8 vòng mỗi phút. Tuy nhiên phải cần thời gian để những bộ máy nano này có những ứng dụng cụ thể.
Một số thành công đã làm đề tài nano trở nên nóng bỏng. Nhiều ý kiến mới lạ được đưa ra. Thí dụ như các bộ phận điện tử có thể được làm từ những phân tử hữu cơ (organic), những dải DNA được gắn vào các chip silicon,...Những Hạt nano (nanoparticles) có thể giúp các thử nghiệm sinh học nhanh hơn, làm việc chẩn bệnh dễ dàng hơn. Chúng cũng có thể đưa thuốc đúng vào những phần cơ thể cần chữa trị để tránh phản ứng phụ, sửa chữa những cơ quan hư hỏng trong người, và hy vọng có thể giúp những cơ quan này tự tái tạo,...Những nano robots (nanobots), nano lắp ráp (nanoassemblers) có thể chữa bệnh và tạo nên một lực lượng sản xuất hùng hậu không gây ô nhiễm,...Người ta tiên đoán là đến năm 2008 những sản phẩm từ kỹ thuật nano sẽ có giá trị trên 100 tỷ đô la.
Bây giờ ta hãy trở lại với phát kiến có vẻ thuần tuý khoa học nhưng có ứng dụng tuyệt vời trong kỹ nghệ của hai ông Fert và Grünberg.
Giant Magnetoresistance (GMR; Biến đổi Cực lớn của Điện trở do Từ trường)
Từ lâu ta đã biết rằng dòng điện trong dây kim loại sinh ra do sự chuyển động của các điện tử (electrons), và điện trở (electric resistance) sinh ra do phân tán (scattering) của dòng điện tử trên khi va chạm vào cơ cấu bất thường hay sự dao động của mạng kim loại. Những chất tạp (impurities) cũng có thể làm gia tăng sự phân tán này, nghĩa là thay đổi điện trở. Ta cũng biết rằng khi đặt một dây kim loại vào một từ trường (magnetic field) thì từ trường này sẽ làm thay đổi sự phân tán của dòng điện tử và do đó thay đổi điện trở. Sự thay đổi này rất nhỏ, cỡ một, vài phần trăm.
Khoảng năm 1857 khoa học gia W. Thompson đã công bố một khảo sát về ảnh hưởng của từ trường trên các kim loại sắt (iron) và kền (nickel). Theo ông, khi dòng điện song song với từ trường thì điện trở tăng, và điện trở sẽ giảm khi dòng điện cắt ngang (across) từ trường. Sự thay đổi của điện trở tùy theo hướng của từ trường ở trên được gọi là hiện tượng Anisotropic MagnetoResistance (AMR; tạm dịch, Biến đổi Bất đẳng hướng của Điện trở theo Từ trường). Hiện tượng AMR sau này được giải thích thỏa đáng nhờ thuyết cơ học lượng tử (1). Đó là sự Kết hợp spin-quỹ đạo của điện tử (electron spin-orbit coupling) (6).
Biết rằng sự biến đổi của điện trở theo từ trường có thể tạo nhiều ứng dụng, từ hơn một trăm năm qua nhiều khoa học gia đã cố gắng tìm hiểu thêm về sự biến đổi này trên những hợp kim đặc biệt và dưới những điều kiện bên ngoài khác nhau. Như trên đã nói, khi kỹ thuật làm những lớp màng cực kỳ mỏng ra đời trong thập niên 70s thì có thêm nhiều hy vọng cho những khám phá mới. Nhưng chờ mãi không thấy kết quả nào được công bố. Đến nỗi trong thâp niên 80s nhiều khoa học gia đã đồng ý là hướng khảo cứu trong lãnh vực này có thể đã đi vào ngõ cụt. Do đó sự công bố bất ngờ trong năm 1988 của các ông Fert và Grünberg đã làm cộng đồng khảo cứu sững sờ.
Ta hãy nhìn lại xem trong thời gian đó hai ông làm việc ra sao. Nhóm của của ông Fert đã kiên trì, tỉ mỉ làm vô số thí nghiệm trên nhiều lớp màng mỏng liên tiếp của Sắt (Fe) và Crôm (Cr). Để tạo những lớp màng mỏng cỡ nano mét này họ phải dùng sắt và crôm ở thể khí, dưới áp suất cực kỳ thấp, gần như ở trạng thái chân không. Lúc đó các nguyên tử sắt, rồi crôm đọng lại từ từ trên một mặt mẫu, và tạo nên những màng cực kỳ mỏng, lớp nọ bao lên trên lớp kia. Có lúc họ phải thí nghiệm trên những lớp từ 30 đến 60 cặp sắt/crôm liên tiếp. Nhóm của ông Grünberg thì khác. Họ tạo ra những lớp giống như chiếc bánh kẹp (sandwich) ở cỡ nano mét, gồm cặp ba sắt, crôm ở giữa, rồi sắt. Sau đó chỉ làm thí nghiệm trên một nhóm gồm vài bánh kẹp đặt liên tiếp.
Có lẽ vì dùng nhiều lớp kim loại nên nhóm của ông Fert đã đạt được một kết quả ngoạn mục. Sự biến đổi của điện trở do từ trường có thể lên đến 50 phần trăm. Trong khi đó nhóm của ông Grünberg cho thấy biến đổi chỉ cỡ 10 phần trăm. Nhỏ hơn, một phần vì nhóm này chỉ dùng có ba bánh kẹp sắt/crôm/sắt. Phần khác vì ông Grünberg làm thí nghiệm ở nhiệt độ thường. Trong khi đó thí nghiệm của ông Fert được thực thi ở nhiệt độ cực kỳ lạnh (4.2 độ Kelvin hay -269 độ Celsius). So với những biển đổi bình thường cỡ một, hai phần trăm thì kết quả của cả hai nhóm quả thực là "giant" (cực lớn). Ngoài ra vì lý thuyết vật lý đằng sau hai thí nghiệm này giống nhau, nên cả hai nhóm cùng mang vinh dự khám phá hiện tượng mới lạ này. Sau khi công bố, ông Fert có nêu lên tiềm năng ứng dụng của công trình khảo cứu. Thực tế hơn, khi nhìn thấy khả năng thực dụng của GMR, ông Grünberg đã xin cấp bằng sáng chế ngay trong lúc ông đang viết bài tường trình để công bố.
Bây giờ ta hãy đi sâu một chút vào khám phá của hai ông. Trước hết ta hãy tìm hiểu tại sao hai ông lại cùng chọn sắt và crôm để làm thí nghiệm. Lý do vì sắt giống như cobalt (Co) và kền (nickel; Ni) là những kim loại dễ bị từ hóa, thường được gọi là có tính thiết từ (ferromagnetic) (7). Còn crôm thì thuộc loại Vô từ (non-magnetic) (8). Sở dĩ crôm được chọn vì trong cơ cấu tinh thể của crôm, các kẽ lưới (lattice spacings) tương tự như những kẽ lưới của sắt. Đặc biệt, với bề mỏng cỡ nano mét, nhỏ hơn quãng đường di chuyển tự do trung bình (mean free path length) của điện tử, crôm đã tạo ra cơ chế phức tạp, tên là cơ chế kết hợp (coupling mechanism), giữa hai lớp sắt hai bên. Từ đó GMR xuất hiện.
Để minh họa GMR một cách đơn giản, ta nhìn ba lớp sắt/crôm/sắt. Như ta đã biết, điện trở sinh ra do sự phân tán điện tử trong những lớp kim loại này. Ta cũng biết rằng những điện tử có thể có spin hoặc hướng lên (up), hoặc hướng xuống (down). Như vậy dòng điện qua ba lớp kim loại trên là sự kết hợp của hai dòng điện. Một ứng với những điện tử có spin up, và một ứng với những điện tử có spin down. Mỗi loại điện tử chịu sự phân tán khi đi qua mỗi lớp kim loại và do đó có điện trở. Đối với crôm, khi từ trường thay đổi, sự phân tán điện tử không bị ảnh hưởng nhiều. Tuy nhiên như phần trên đã nói, crôm có ảnh hưởng mạnh mẽ trên hai lớp sắt hai bên. Khi từ trường bên ngoài bằng 0, nếu ở lớp sắt thứ nhất số lượng điện tử có spin up (ở quanh một mức năng lượng) nhiều hơn số lượng điện tử có spin down, thì ở lớp sắt thứ hai có sự đảo ngược. Nghĩa là ở đó số luợng điện tử có spin down lớn số lượng điện tử có spin up. Từ đó các vectơ biểu thị sự từ hóa (momen từ) ở hai lớp sắt có chiều trái nhau. Nếu bây giờ ta áp đặt một từ trường vào ba lớp kim loại kể trên thì từ trường này tác động trên spin và làm mất sự đảo ngược kể trên. Hai vectơ biểu thị từ hóa ở hai lớp sắt bây giờ cùng chiều. Sự khác biệt về chiều từ hóa đã tạo nên sự khác biệt về điện trở. Người ta tìm ra là sự thay đổi của điện trở khi từ trường thay đổi tỷ lệ với bình phương của hiệu số của hai điện trở tương ứng với hai loại spin (up và down). Tóm lại sự biến đổi điện trở càng lớn khi sự phân tán của hai loại điện tử càng khác nhau. Chính những màng cực mỏng của sắt và crôm đã tạo ra sự khác biệt phân tán đáng kể giữa hai loại điện tử. Tại đó GMR ra đời.
Sự khám phá của hai ông Fert và Grünberg về vai trò khống chế của spin điện tử ở cỡ nano mét đã mở đầu cho một hướng khảo mới, nghành spintronics (spin điện tử). Ở đây các khoa học gia, bên cạnh điện tích (charge) của điện tử, phải đặc biệt lưu tâm đến hoạt động của spin. Khai triển ý kiến của các ông Fert và Grünberg, một số nhà khảo cứu cũng tạo được hiện tượng GMR với những bánh kẹp có lớp giữa không phải là crôm mà là một chất cách điện (insulating material). Điều này có vẻ vô lý vì chất cách điện không để dòng điện đi qua thì làm sao có thể định được điện trở (vốn được coi như có trị số vô cực). Tuy nhiên nếu xét kỹ, ta thấy ở cỡ nano mét, trong lý thuyết cơ học lượng tử có một hiệu ứng đặc biệt có tên là tác dụng Đường hầm (tunnelling). Theo đó, ngay cả ở trong một chất cách điện, đâu đó cũng có một số điện tử có thể "lén lút" di chuyển và tạo nên dòng điện. Phương pháp mới này có tên TMR, Tunnelling MagnetoResistance (tạm dịch: Biến đổi Điện trở do Từ trường dưới tác dụng Đường hầm), rất hữu hiệu, và có tiềm năng thực dụng rất lớn.
Phương cách tạo những màng kim loại mỏng của các ông Fert và Grünberg, được đặt tên epitaxy (tạm dịch: cấy tinh thể), tuy chính xác nhưng tốn nhiều thì giờ và tốn kém. Do đó mặc dầu rất thích hợp cho công việc khảo cứu tại các phòng thí nghiệm, không thể dùng trong kỹ nghệ. Một người Anh, ông Stuart Parkin, đã đưa ra một kỹ thuật đơn giản, ít tốn kém, có tên sputtering (tạm dịch: rải vi tử). Chính nhờ kỹ thuật này mà năm 1997 GMR đã được đưa vào kỹ nghệ làm đĩa cứng, như ta sẽ bàn tới ở phần sau.
Đĩa Cứng (Hard Disk)
Đĩa cứng là một bộ phận tàng trữ dữ kiện (storage) (9) quan trọng trong máy điện toán. Như ta đã biết, máy điện toán được xây dựng trên một ý niệm vô cùng đơn giản nhưng cực kỳ hữu hiệu: hệ Nhị phân (binary system). Theo tên gọi, hệ nhị phân chỉ gồm hai chữ số, 0 và 1. Cả cương liệu (hardware/phần cứng) và nhu liệu (software/phần mềm), ở mức căn bản nhất phải phản ảnh tính Hai (nhị) này. Phần nhỏ nhất trong bộ phận tàng trữ là bit, có thể mang một trong hai trị số, hoặc 0 hoặc 1. Một đơn vị khác, byte, thường được coi như chứa 8 bits. Người ta cũng hay dùng bội số của byte như kilobyte (KB), megabyte (MB), gigabyte (GB), terabyte (TB), ...(10)
Mặt của đĩa cứng được phủ bằng một chất dễ từ hóa. Mỗi điểm nhỏ trên đĩa biểu thị cho một bit. Tại mỗi điểm này từ tính có thể ở một trong hai trạng thái, hoặc ứng với 0 hoặc ứng với 1. Việc tạo từ (viết), và nhận ra từ tính (đọc) tại mỗi điểm được thực hiện bởi một Đầu đọc-viết (read-and-write head) nằm trên một Cánh tay truyền động (actuator arm). Nhờ cánh tay này mà đầu đọc-viết có thể di chuyển từ tâm đĩa ra ngoài để từ đó có thể đọc hay viết tại mọi điểm trên mặt khi đĩa quay.
Trước kia, đầu đọc-viết chỉ dùng một nam châm để vừa đọc vừa viết. Nam châm này tạo từ hóa khi viết, và khi đọc thì nhận ra sự khác biệt trạng thái (ứng với 1 hoặc 0) tại một điểm nhờ hiện tượng Cảm ứng điện từ (electromagnetic induction) (11). Nhìn lại từ ngày bắt đầu được sử dụng trong kỹ nghệ, ta thấy đĩa cứng được cải tiến liên tục để có thể viết, đọc nhanh hơn và chứa được nhiều bits hơn. Muốn chứa được nhiều bits hơn thì người ta phải làm các điểm từ tương ứng nhỏ đi. Làm nhỏ thì dễ, viết (từ hóa) vào mỗi điểm cũng không khó. Nhưng càng nhỏ thì từ trường của mỗi điểm càng yếu do đó không thể đọc được. Chính khám phá của hai ông Fert và Grünberg đã giúp các kỹ thuật gia giải quyết nan đề này. Thật vậy, nếu hiện tượng cảm ứng điện từ không nhận ra sự biến đổi nhỏ của từ trường thì GMR có thể nhận ra nhờ sự biến đổi cực lớn (giant) của điện trở.
Để có thể sử dụng GMR, đầu đọc-viết phải được chia làm làm hai bộ phận riêng rẽ, một đọc, một viết, đặt gần nhau. Đầu viết vẫn dựa vào nguyên tắc cũ nhưng đầu đọc sẽ gồm màng kim loại mỏng có cơ cấu căn bản giống như trong thí nghiệm của hai ông Fert và Grünberg. Nhờ đó từ nay các nhà sản xuất có thể thoải mái thu nhỏ những điểm từ (bits) trên đĩa. Để có thể tăng gấp bội mật độ của điểm từ trên đĩa, một kỹ thuật có tên Perpendicular recording (tạm dịch: ghi từ theo hướng thẳng góc), được sử dụng. Theo đó vectơ từ tại điểm được từ hóa vuông góc với mặt đĩa và có thể có hai chiều trái nhau để biểu thị hai trạng thái (1 hoặc 0). Người ta hy vọng, với những kỹ thuật mới mẻ này, ta có thể viết đến mật độ cỡ một Tbits/square-inch (một Tbits (terabits) bằng 1000 tỷ bits (10); một square-inch bằng 6.45 cm vuông).
Cùng với sự cải tiến về mật độ điểm từ trên đĩa, phần cơ học cũng phải được đổi mới để đĩa có thể quay thật nhanh. Phải nhanh vì khi đĩa quay càng nhanh thì lượng dữ kiện được đọc, viết mỗi giây càng nhiều hơn. Ngày nay đĩa có thể quay với vận tốc đáng nể, từ 7000 đến 10,000 vòng mỗi phút. Lượng dữ kiện di chuyển trong lúc vận hành lên tới 80 MB/giây (MB: megabyte). Với vận tốc quay ghê gớm như vậy, để có thể đọc, viết một cách chính xác, hệ thống đầu đọc, viết phải được thiết kế để "bay" thật gần mặt đĩa nhờ một lớp đệm không khí cực kỳ mỏng. Mỏng đến cỡ 10 - 20 nano mét!
Với sự đóng góp của vô số khoa học và kỹ thuật gia trong đó có hai ông Fert và Grünberg, đĩa cứng đã trở thành một công trình kỹ thuật cực kỳ tinh xảo của thời đại mới.
Để có thể thấy tiến bộ của đĩa cứng trên 50 năm qua, ta hãy nhìn lại ổ đĩa cứng đầu tiên do hãng IBM chế tạo năm 1956. Ổ này gồm 50 đĩa cứng có đường kính 24 inches (61 cm). Mỗi đĩa có thể chứa từ điểm trên hai mặt và quay cỡ 1200 vòng/phút. Toàn bộ hệ thống nặng cỡ một tấn và có kích thước gần bằng hai cái tủ lạnh lớn. Sức chứa? Khoảng 4.5 MB (megabytes). Năm nay, 2007, hãng Hitachi đã cho ra đời một ổ đĩa cứng gồm 5 đĩa mỏng, đường kính 3.5 inches (8.89 cm), dùng cho máy điện toán cá nhân. Toàn bộ có kích thước cỡ một cuốn sách mỏng, khổ nhỏ. Sức chứa? 1 TB (lưu ý, một TB bằng một triệu MB). "Nóng mặt," các hãng cạnh tranh đang ráo riết sửa soạn cho ra mắt một ổ chỉ gồm 1 đĩa duy nhất mà vẫn có sức chứa cỡ một TB. Ta hãy chờ.
Ngoài ra, khai triển ý niệm TMR (Tunnelling MagnetoResistance) ở trên, các nhà sản xuất đang phát triển một hệ tồn trữ với hy vọng có thể thay thế RAM (Random Access Memory) (9). Đó là bộ nhớ MRAM (Magnetic/Magnetoresistive Random Access Memory; tạm dịch: bộ nhớ từ khả nhập bất kỳ). MRAM được thiết kế giống như RAM gồm những mạng điện và đường chuyển dữ kiện cực kỳ tinh vi. Chỉ khác là dòng điện thay vì tạo điện tích trong các bộ tụ điện cực kỳ nhỏ thì tạo ra các điểm từ. Ngoài khả năng có thể làm tăng mật độ của các điểm từ (giảm kích thước của mỗi bit), MRAM còn là một loại bộ nhớ kiên định giống như đĩa cứng. Do đó kích thước của MRAM sẽ nhỏ và đặc biệt khi bị cắt điện bất ngờ, dữ kiện đang vận hành không bị mất. Ngoài ra sau khi tắt máy, ta có thể tái khởi động (restart) nhanh hơn nhờ dữ kiện cần thiết còn lưu lại trong MRAM. Với RAM, sau khi tắt máy, dữ kiện bị xóa hết nên khi tái khởi động, máy phải nạp lại một số dữ kiện thuộc hệ điều hành (gọi là boot; nạp dữ kiện điều hành). Đây là một việc không ai thích vì mất thì giờ.
Kết luận
Như trên đã trình bầy, khám phá có tính cách cơ bản của hai ông Fert và Grünberg đã có ảnh hưởng tích cực vào nhiều ngành kỹ thuật liên hệ đến điện từ học, trong đó đĩa cứng chỉ là một thí dụ nổi bật. Ngoài ra, sự khảo sát tường tận về spin của điện tử ở những lớp màng cực kỳ mỏng của vật chất hy vọng sẽ tạo nền tảng cho nhiều khám phá quan trọng trong kỹ thuật nano, một kỹ thuật còn nhiều thách đố nhưng đầy hứa hẹn.
(1) Một cách đơn giản, cơ học lượng tử là ngành vật lý liên hệ đến các hạt tử ở kích thước rất nhỏ. Theo đó, Năng lượng (Energy), Động lượng (Momentum), Động lượng Quay (Angular Momentum), cũng như Điện tích (Charge) được trao đổi theo những luợng Gián đoạn (discrete), gọi là Nguyên lượng hay Lượng tử (Quantum/Quanta). Thí dụ như để mô tả mức năng lượng của điện tử (elecron) trong nguyên tử người ta dùng bốn số nguyên lượng: Chính (Principal; ký hiệu n), Động lượng Quay (l), Từ (Magnetic; m) và Spin (s).
n có thể có những trị số nguyên dương từ 1 đến vô hạn. Với nguyên tử ở trạng thái cơ bản (ground-state), trị số lớn nhất của n là 7.
l có thể có trị số nguyên từ 0 đến n-1. Thí dụ như nếu n=4 thì l có thể là 0, 1, 2, và 3. Các hóa học gia thường dùng chữ s (viết tắt của sharp) để chỉ l=0, p (principal) khi l=1, d (diffuse) cho l=2, và f (fundamental) lúc l=3.
Trị số của m phụ thuộc vào l và bằng: –l, -(l-1), ..., 0, ..., (l-1), l. Thí dụ như nếu l=3, m sẽ là: -3, -2, -1, 0, 1, 2, 3.
s (hay còn gọi là ms) có thể bằng ½ hoặc -½.
Sự phân bố của điện tử dựa vào một số quy tắc.
a) Quy tắc Aufbau: Một cách tổng quát các điện tử (electrons) sẽ lấp đầy các vân đạo nguyên tử trống ở tầng năng lượng thấp nhất trước rồi mới vào các vân đạo ở tầng năng lượng cao hơn. (Aufbau là từ tiếng Đức có nghĩa là xây dựng)
b) Quy tắc Hund: Trong những vân đạo nguyên tử có cùng mức năng lượng (equal-
energy orbitals) mỗi vân đạo sẽ được chiếm bởi một điện tử trước rồi sau đó những
điện tử có spin trái dấu mới được đưa vào. Thí dụ như mỗi trong ba vân đạo 2p (2px ,
2py, và 2pz ) giữ một điện tử trước rồi mới nhận điện tử thứ hai (Friedrich Hund [1896 – 1997] là vật lý gia người Đức).
c) Quy tắc ngoại trừ Pauli (Pauli exclusion principle): Không thể có hai điện tử có cùng
bốn số lượng tử (n, l, m , s) (Wolfgang Pauli [1900 – 1958], vật lý gia Mỹ gốc Áo, đoạt giải Nobel Vật lý 1945).
Theo trên ta thấy, với mỗi trị số của m ta có tối đa 2 điện tử. Từ đó tầng s có tối đa 2 điện tử, tầng p có 6, d có 10, và f có 14.
Tính chất của mỗi nguyên tố phụ thuộc vào sự sắp xếp điện tử (electronic configuration) của nguyên tử tương ứng, đặc biệt là tầng ngoài cùng. Thí dụ như sắt (iron) có 26 điện tử, ứng với sắp xếp: 1s(2)2s(2)2p(6)3s(2)3p(6)4s(2)3d(6). Như vậy sắt có 6 điện tử ở tầng ngoài cùng. Tương tự, cobalt có 7, 3d(7), và nickel có 8, 3d(8). Riêng crôm (chromium) với 6 điện tử ở tầng ngoài cùng, có cơ cấu bất thường, 4s(1)3d(5).
(2) Albert Einstein (1879-1955; thắng giải Nobel Vật lý năm 1921) là cha đẻ của Thuyết Tương đối (Hẹp và Rộng).
Thuyết Tương đối Hẹp (Special Relativity) gồm hai tiền đề: (i)Vận tốc Ánh sáng không đổi đối với bất cứ Quan sát viên nào (dù đang di chuyển). (ii) Các định luật Vật lý không đổi trong bất cứ Hệ quy chiếu Quán tinh nào (Inertial frame of reference; không có gia tốc). Kết quả từ hai tiền đề này đã làm đảo lộn các định luật vật lý cổ điển nhất là đối những vật có chuyển động rất nhanh.
Một cách đơn giản, thuyết Tương đối Rộng (General Relativity) cho rằng có sự tương đương giữa Trọng trường (Gravitation) và Gia tốc (Acceleration). Từ đó suy ra ý niệm Không-Thời gian Cong (Spacetime Curvature) mà một loại đại lượng có tên Tensor Cong (Tensor Curvature) có liên hệ đến sự phân bố Vật chất và Năng lượng.
(3) Richard P. Feynman (1918-1988) chia giải Nobel Vật lý 1965 với Sin-Itiro Tomonaga (1906-1979) và Julian Schwinger (1918-1994).
(4) Những transistors hiện được chế tạo theo một phương pháp có tên photolithography (tạm dịch: In ảnh bằng ánh sáng). Theo một số tài liệu, riêng tại Mỹ, các nhà máy có thể sản xuất 3 tỷ transistors mỗi giây bằng phương pháp này. Ánh sáng dùng để "in" transistors là tia cực tím (ultraviolet light). Nếu những mẫu in quá nhỏ ánh sáng này sẽ bị nhiễu xạ (diffracted) và kết quả sẽ mất chính xác. Có nhiều phương pháp khác nhau được đề nghị để thay thế tia cực tím, như dùng chùm điện tử (electron-beam) hay tia x (x-ray),...Tốn phí có thể lên đến hàng trăm triệu đô la.
(5) Ống nano (nanotubes) có nhiều loại. Một loại quan trọng, carbon nanotubes, là những ống có đường kính cỡ nano mét, bề dày cực mỏng, bằng kích thước của nguyên tử carbon. Ống này rất dẻo dai và có nhiều tính khác thường về điện và nhiệt.
Chấm điện tử (quantum dots) là những tinh thể (crystals) chỉ chứa chừng vài trăm nguyên tử. Chấm điện tử có nhiều tính chất quang học, điện học và từ học đặc biệt.
(6) Trong cơ học lượng tử, spin của điện tử liên hệ đến sự hiện diện của một động lượng quay (angular momentum) trong điện tử, không nhất thiết là có sự quay thực sự của điện tử quanh chính nó. Electron spin-orbit coupling là sự kết hợp giữa spin vừa kể và chuyển động của điện tử quanh nhân nguyên tử. Từ đó có sự phân tán điện tử theo hướng từ trường (điện trở tăng).
(7) Một thanh nam châm có thể hút sắt (Fe), cobalt (Co) hay nickel (Ni),... rất mạnh nhưng lại hút yếu nhôm (Al), kali (K) hay magnê (Mg),.. và lại đẩy nhẹ đồng (Cu), carbon (C), hay bạc (Ag),...Những chất như sắt, cobalt hay nickel được xếp vào loại thiết từ (ferromagnetic). Còn những chất tương tự như nhôm, kali, magnê,...thuộc loại thuận từ (paramagnetic). Cuối cùng các chất như đồng, carbon hay bạc,... được gọi là có tính phản từ (diamagnetic).
Từ tính của vật chất sinh ra từ sự quay của điện tử quanh nhân. Từ đó, có momen của lưỡng cực từ (magnetic dipole moment) và từ trường (magnetic field). Có hai loại momen (lưỡng cực) từ. Một loại kết hợp với một đại lượng liên hệ đến quỹ đạo của điện tử, có tên momen góc quỹ đạo (orbital angular momentum). Trong đa số vật chất, hướng của momen góc thay đổi theo từng nguyên tử. Do đó trị số trung bình momen từ của tất cả nguyên tử sẽ bằng 0. Loại momen từ thứ hai kết hợp với momen góc spin (spin angular momentum) (6). Nếu tất cả những momen góc spin của điện tử được ghép cặp (paired) với chiều trái nhau thì momen từ của toàn bộ hệ thống cũng bằng không. Đây là trường hợp của chất phản từ. Nhưng nếu có một ít điện tử không ghép cặp thì momen từ tương ứng sẽ làm vật chất có một ít từ tính vĩnh viễn. Chất thuận từ nằm trong trường hợp này.
Chất phản từ bị nam châm đẩy nhẹ vì có sự thay đổi của momen từ để chống lại ảnh hưởng của từ trường bên ngoài (định luật Lenz). Chất thuận từ được nam châm hút nhẹ vì, như trên đã nói, có momen (lưỡng cực) từ vĩnh viễn. Từ trường bên ngoài làm các momen từ này thẳng hàng (aligned) và chất thuận từ bị hút. Lưu ý là tính thuận từ dễ mất do ảnh hưởng của Dao động nhiệt (thermal agitation), vốn có tự nhiên do nhiệt độ.
Tương tự như chất thuận từ, chất thiết từ (ferromagnetic) có nhiều nguyên tử chứa những điện tử không ghép cặp (unpaired electrons) và do đó có momen từ vĩnh viễn. Trong từng Vùng từ nhỏ (magnetic domains), cỡ 1mm, những momen từ của các nguyên tử này thẳng hàng với nhau. Nhưng trong cả khối vật chất có vô số vùng từ vừa kể và momen từ của mỗi vùng từ lại có hướng khác nhau. Khi một chất thiết từ được đặt trong một từ trường thì từ trường này sẽ làm cho các momen từ của mỗi vùng từ thẳng hàng với nhau. Sự thẳng hàng này làm chất thiết từ trở thành một nam châm vĩnh viễn và bị hút mạnh. Lưu ý là khi bị va chạm mạnh sự thẳng hàng bị xáo trộn và từ tính của chất thiết từ có thể bị mất. Ngoài ra khi nhiệt độ tăng thì dao động nhiệt tăng, và khả năng giữ từ tính vĩnh viễn bị giảm. Khi nhiệt độ lên quá một nhiệt độ có tên là nhiệt độ Curie thì chất thiết từ (ferromagnetic) trở thành thuận từ (paramagnetic).
(8) Vì bị nam châm hút rất yếu nên người ta có thể xếp crôm vào loại thuận từ (paramagnetic) hay, một cách nôm na, vô từ (non-magnetic). Thực ra crôm thuộc loại Phản thiết từ (antiferromagnetic). Theo đó, trong mạng kim loại, mỗi nguyên tử có spin trái chiều với spin của nguyên tử bên cạnh. Khi nhiệt đô tăng, hướng của những spin thay đổi nên từ tính thay đổi. Nếu nhiệt độ lên cao hơn một nhiệt độ có tên Néel (Néel temperature) chất phản từ thiết trở thành thuận từ.
(9) Có nhiều loại tàng trữ (storage) hay bộ nhớ (memory). Một loại quan trọng có tên là RAM (random access memory; bộ nhớ khả nhập bất kỳ). Thường được gọi là bộ nhớ chính (main memory), RAM là một loại bộ nhớ hoạt động (working memory) của máy điện toán. Đây là nơi chứa những dữ kiện nhị phân (bits) liên hệ đến những mệnh lệnh đang tiến hành. Bits được tồn trữ trong RAM nhờ tác dụng điện trên những transistors và capacitors (bộ tụ diện). RAM được thiết kế để được đọc và viết cực kỳ nhanh. Bộ CPU (Central Processing Unit; Bộ xử lý trung ương) nối trực tiếp với RAM bằng những đường dẫn dữ kiện gọi là bus. Có hai loại bus: bus chuyển dữ kiện (data bus) và bus chuyển địa chỉ (address bus). Trong CPU còn có hai loại bộ nhớ trung gian là Register (bộ ghi) và Cache (bộ nhớ ẩn). RAM có thể có hai loại: SRAM (Static RAM; RAM tĩnh) và DRAM (Dynamic RAM; RAM động). RAM, register, cache,...có tính Không kiên định (volatile), nghĩa là sẽ mất hết dữ kiện khi điện bị cắt. Trong những loại tàng trữ/bộ nhớ Kiên định (non-volatile) dữ kiện có thể tồn tại mà không cần dòng điện. Đĩa cứng (viết bằng từ), CD và DVD (viết bằng tia laser), Flash memory/Memory stick (viết bằng điện) là những thí dụ của bộ nhớ kiên định.
(10) Những bội số thường dùng là kilo (K; ngàn: 1,000), mega (M; triệu: 1,000,000), giga (G; tỷ: 1,000,000,000), tera (T; ngàn tỷ: 1,000,000,000,000), peta (P; triệu tỷ: 1,000,000,000,000,000), exa, zetta, yotta,...Những ước số quen biết là milli (m; 1 phần ngàn: 1/1,000), micro (; 1 phần triệu: 1/1,000,000), nano (n; 1 phần tỷ: 1/1,000,000,000), pico (p; 1 phần ngàn tỷ: 1/1,000,000,000,000), femto (f; 1 phần triệu tỷ: 1/000,000,000,000,000), atto, zepto, yocto,...
(11) Khi từ trường thay đổi, từ thông (magnetic flux) biến đổi và tạo ra dòng điện theo định luật Faraday và Lenz.
Tài liệu tham khảo
Benson, Harris, University Physics, John Wiley & Sons Inc., 1996.
Feynman & Leighton & Sands, Lectures on Physics, Addison-Wesley Co., 1965.
Scientific American: Sept. 2001.
The Royal Swedish Academy of Sciences’ Website.
Những bài liên hệ
Giải Nobel Sinh Lý / Y Học 2006 Và Ngành Sinh Học Phân Tử
http://www.vietnamreview.com/modules.php?name=News&file=article&sid=5113
Nhân Giải Nobel Hóa Học 2005, Nhìn Lại
http://www.vietnamreview.com/modules.php?name=News&file=article&sid=2263
Giải Nobel Vật lý 2004 và Kiểu mẫu Tiêu chuẩn
http://www.vietnamreview.com/modules.php?name=News&file=article&sid=463.
http://www.vietnamreview.com/modules.php?name=News&file=article&sid=7144
[16/12/2007 - Tác giả: admin1 - Vietnam Review]
Nguyễn Trọng Cơ
Sherman Oaks, California
15-12-2007
Năm nay giải Nobel Vật lý được phát cho hai khoa học gia Âu Châu, một Pháp, một Đức. Đó là các ông:
- Albert Fert, làm việc tại Đại học Paris-Sud, Orsay, Pháp, và
- Peter Grünberg, làm việc tại Trung tâm Khảo cứu Jülich, Jülich, Đức.
Hai ông đều xấp xỉ bảy mươi. Ông Fert sinh năm 1938, còn ông Grünberg sinh năm 1939. Giống như mấy năm trước, số tiền thưởng vẫn là 10 triệu đồng Thụy Điển (khoảng 1.55 triệu Mỹ kim).
Gần 20 năm trước, năm 1988, trong lúc khảo cứu riêng rẽ, hai ông đã cùng khám phá ra một hiệu ứng mới lạ sau đây. Trong một số cấu trúc kim loại đặc biệt, ở điều kiện thích hợp, chỉ cần một thay đổi nhỏ của từ trường (magnetic field) cũng có thể gây ra một biến đổi rất lớn trong điện trở (electrical resistance) của cấu trúc này. Có tên là hiệu ứng GMR, Giant MagnetoResistance (tạm dịch: Biến đổi Cực lớn của Điện trở do Từ trường), khám phá trên đã được nhanh chóng mang vào kỹ nghệ làm Đầu đọc (read-out head) trong Đĩa cứng (hard disks) của máy điện toán. Kỹ thuật mới mẻ này đã gia tăng bội phần sức chứa của đĩa cứng và giảm giá thành, khiến dịch vụ khoảng 40 tỷ đô la hàng năm của đĩa cứng phát triển một cách ngoạn mục.
Đằng khác, hiệu ứng GMR đạt được là nhờ một kỹ thuật tạo những Màng (film) rất mỏng của các loại vật chất khác nhau, khám phá trong những năm 1970. Mỏng đến độ bề dầy chỉ gồm vài ba nguyên tử vật chất. Ta biết rằng kích thước nguyên tử rất nhỏ, khoảng từ 0.1 đến 0.5 nm (nano mét, một phần tỷ, 1/1,000,000,000 của mét) (10). Các khoa học gia đang ráo riết tìm hiểu hoạt động của vật chất ở kích thước vô cùng nhỏ này, và đặt tên ngành kỹ thuật/công nghệ tương ứng là Nanotechnology (kỹ thuật/công nghệ nano). Như vậy khám phá GMR của hai ông Fert và Grünberg có thể được coi là một trong những ứng dụng thực sự đầu tiên của kỹ thuật nano.
Để thấy rõ sự đóng góp của hai ông vào dòng khảo cứu khoa học kỹ thuật hiện đại, trong bài này người viết sẽ đưa vào một số tin tức liên hệ đến kỹ thuật nano và đĩa cứng.
Kỹ Thuật/Công Nghệ Nano (nanotechnology)
Như trên đã nói, một cách đơn giản, kỹ thuật nano liên hệ đến vật chất ở kích thước nhỏ, thí dụ như một nhóm nguyên tử hay phân tử.
Như vậy kỹ thuật nano khác với kỹ thuật điện tử hiện nay ra sao?
Hiện nay chúng ta đang ở thời đại vi điện tử (microelectronics). Thật vậy, hàng ngày ta thường nghe thấy những từ microcomputer (máy vi tính), miroprocessor (bộ vi xử lý),...Chữ micro, ngoài nghĩa thông thường là nhỏ (vi), còn là từ đặt ở đầu (prefix) để chỉ một phần triệu (10). Thí dụ như một micro mét, hay micron là một phần triệu của mét (1/1,000,000). Trong một chip (mẩu) điện tử nhỏ li ti ta có thể xếp đặt một số lớn Bóng bán dẫn (transistors) với kích thước trung bình mỗi cái khoảng 1/4 micron (tài liệu năm 2001). Để có thể tưởng tượng một micron nhỏ như thế nào ta hãy nhìn vào một sợi tóc và lưu ý là đường kính của sợi tóc này ở khoảng 57 - 90 microns. Vi trùng (bacteria/vi khuẩn) thường có đường kính vài microns, không thể nhìn được bằng mắt trần. Vì một nano mét bằng một phần tỷ của mét, nên riêng về bề dài, đại cương thế giới nano sẽ gồm những bộ phận nhỏ cỡ một phần ngàn các bộ phận trong thế giới micro! Có thể gọi đây là thế giới Siêu vi điện tử (nanoelectronics).
Từ lâu các vật lý gia biết rằng ở mức vô cùng nhỏ của thế giới nano, các định luật vật lý cổ điển, vốn áp dụng vào các vật thể hàng ngày, không còn giá trị nữa. Các tính toán sẽ phải dựa vào các định luật hiện đại của ngành Cơ học lượng tử (1) và thuyết Tương đối (2). Mặc dù biết rằng vấn đề sẽ vô cùng phức tạp, cách đây gần 50 năm, năm 1959, khi ngành vi điện tử vẫn còn trong thời kỳ phôi thai, vật lý gia Richard Feynman (3) đã cố gắng thúc giục các khoa học gia lưu tâm đến một kỹ thuật điều khiển các vật nhỏ cỡ nguyên tử. Lúc đó ông nói: "... I will not now discuss how we are going to do it, but only what is possible in principle..." (tạm dịch: "...Lúc này tôi sẽ không bàn về phương cách thực hiện, mà chỉ nói về những gì khả thi trên nguyên tắc..."). Mặc dù rất thích thú về đề tài này, nhưng thấy nhiều khó khăn trước mắt, ông không liên tục tập trung sức lực vào sự tìm tòi trên. Cho đến nay khi các khoa học gia biết rõ là các định luật trong cơ học lượng tử có thể hoàn toàn khống chế các hoạt động của những bộ phận cỡ nano thì ngành kỹ thuật nano, mặc dù còn nhiều giới hạn, phần nào đã trở thành hiện thực.
Trong số những khó khăn khi đi vào kỹ thuật nano có hai vấn đề quan trọng sau đây phải được đặc biệt lưu ý. Thứ nhất là sự thông tin, liên lạc giữa thế giới nano và thế giới bình thuờng (macroworld). Theo lý thuyết cơ học lượng tử, ta biết rằng khi ta cố gắng đo lường trong hệ thống những hạt vô cùng nhỏ (quantum system) ta sẽ làm xáo trộn chúng. Do đó, vì có sự khác biệt giữa các định luật vật lý, sự trao đổi tin tức giữa hai thế giới sẽ rất khó trung thực. Thứ hai là bề mặt (surfaces) của các vật thể. Trong thế giới micro hiện nay, các định luật của vật lý thể rắn luôn luôn được áp dụng với điều kiện tiên quyết là tỷ số giữa diện tích và thể tích (surface to volume ratio) của vật thể phải vô cùng nhỏ. Nói cách khác, định luật chỉ áp dụng trong những khối lớn (bulk). Trong kỹ thuật nano ta không thể có điều kiện này. Do đó ta phải kiếm cách giảm ảnh huởng của bề mặt vật thể.
Để có thể sản xuất những thiết bị thực dụng không nhỏ quá mà vẫn có những đặc tính của kỹ thuật nano, người đề ra một Độ lớn bậc trung (mesoscale). Những vật thể ở mesoscale có kích thước từ một đến vài trăm nano mét, được cấu thành từ sự tích lũy của một số lớn nguyên tử hay phân tử. Với số lượng hạt tử lớn như vậy ta còn có thể áp dụng những định luật vật lý cổ điển nhưng vẫn phải để ý đến ảnh hưởng của cơ học lượng tử.
Thông thường có hai cách để đi vào kỹ thuật nano, top-down (từ trên xuống) và bottom-up (từ dưới lên). Theo hướng thứ nhất, các nhà sản xuất chip điện tử đang thu nhỏ dần các transistors, vốn là đơn vị cơ bản để xây dựng những microprocessors (bộ vi xử lý), memory chips (chip nhớ), controllers (bộ điều khiển),...Như trên đã nói, hiện nay kích thước một transistor khoảng trên dưới 0.1 micron hay 100 nano mét. Hãng sản xuất chip điện tử Intel đã có những khảo cứu và phát triển để có thể sản xuất những transistors có kích thước nhỏ dần từ 65 nm xuống đến 22 nm. Lưu ý là sản xuất các transistors có kích thước dưới 100 nm là một bước nhảy vọt trong kỹ thuật. Ta không thể dùng những thiết bị hiện tại để sản xuất những transistors cực nhỏ này. Để thay đổi có thể sẽ rất tốn kém (4).
Khi theo hướng "từ dưới lên," ta phải bắt đầu từ những nguyên tử hay phân tử để xây dựng dần lên cơ cấu nano. Hai sản phẩm đã được biết đến từ nhiều năm nay là Ống nano (nanotubes) và Chấm lượng tử (quantum dots) (5). Vì thường chỉ dùng những phản ứng hóa học đã được khéo léo kiểm soát nên phương pháp này có lợi điểm là không tốn kém. Tuy nhiên, vì không thể sản xuất hàng loạt những mẫu vật đã được thiết kế và có liên hệ với nhau nên phương pháp này chưa thể áp dụng vào kỹ nghệ điện tử.
Trong lãnh vực sinh học, các khoa học gia cũng đang cố gắng xây dựng những Bộ máy nano (nanomachines) khi quan sát chuyển động của các vi sinh vật. Ta biết rằng một số đơn bào (one-celled organisms) có thể di chuyển được là nhờ những Tua/Đuôi (flagella) và một bộ Máy quay (rotor) cực nhỏ, cỡ 10 nano mét, nằm trong tế bào. Rotor này có thể quay rất nhanh, làm các đuôi cựa quậy liên tục khiến đơn bào có thể chuyển động dễ dàng. Thí dụ như tinh trùng (sperm) có thể di chuyển với vận tốc cỡ 60 - 160 microns mỗi giây. Đây là một vận tốc khá lớn vì kích thước của tinh trùng chỉ khoảng 25 microns. Rotor cấu tạo bởi protein, và có thể quay nhanh tới hàng ngàn vòng mỗi phút. Năng lượng được cung cấp bởi nguồn hóa năng quen biết trong tế bào, có tên Adenosine TriPhosphate (ATP). Khoa học gia Montemagno tại đại học Cornell đã tạo được một bộ máy nano đầu tiên bằng cách cô lập một rotor rồi nối với một sợi kim loại hình trụ (nanorod) dài cỡ 750 nano mét, đường kính 150 nano mét. Nanorod có thể quay được 8 vòng mỗi phút. Tuy nhiên phải cần thời gian để những bộ máy nano này có những ứng dụng cụ thể.
Một số thành công đã làm đề tài nano trở nên nóng bỏng. Nhiều ý kiến mới lạ được đưa ra. Thí dụ như các bộ phận điện tử có thể được làm từ những phân tử hữu cơ (organic), những dải DNA được gắn vào các chip silicon,...Những Hạt nano (nanoparticles) có thể giúp các thử nghiệm sinh học nhanh hơn, làm việc chẩn bệnh dễ dàng hơn. Chúng cũng có thể đưa thuốc đúng vào những phần cơ thể cần chữa trị để tránh phản ứng phụ, sửa chữa những cơ quan hư hỏng trong người, và hy vọng có thể giúp những cơ quan này tự tái tạo,...Những nano robots (nanobots), nano lắp ráp (nanoassemblers) có thể chữa bệnh và tạo nên một lực lượng sản xuất hùng hậu không gây ô nhiễm,...Người ta tiên đoán là đến năm 2008 những sản phẩm từ kỹ thuật nano sẽ có giá trị trên 100 tỷ đô la.
Bây giờ ta hãy trở lại với phát kiến có vẻ thuần tuý khoa học nhưng có ứng dụng tuyệt vời trong kỹ nghệ của hai ông Fert và Grünberg.
Giant Magnetoresistance (GMR; Biến đổi Cực lớn của Điện trở do Từ trường)
Từ lâu ta đã biết rằng dòng điện trong dây kim loại sinh ra do sự chuyển động của các điện tử (electrons), và điện trở (electric resistance) sinh ra do phân tán (scattering) của dòng điện tử trên khi va chạm vào cơ cấu bất thường hay sự dao động của mạng kim loại. Những chất tạp (impurities) cũng có thể làm gia tăng sự phân tán này, nghĩa là thay đổi điện trở. Ta cũng biết rằng khi đặt một dây kim loại vào một từ trường (magnetic field) thì từ trường này sẽ làm thay đổi sự phân tán của dòng điện tử và do đó thay đổi điện trở. Sự thay đổi này rất nhỏ, cỡ một, vài phần trăm.
Khoảng năm 1857 khoa học gia W. Thompson đã công bố một khảo sát về ảnh hưởng của từ trường trên các kim loại sắt (iron) và kền (nickel). Theo ông, khi dòng điện song song với từ trường thì điện trở tăng, và điện trở sẽ giảm khi dòng điện cắt ngang (across) từ trường. Sự thay đổi của điện trở tùy theo hướng của từ trường ở trên được gọi là hiện tượng Anisotropic MagnetoResistance (AMR; tạm dịch, Biến đổi Bất đẳng hướng của Điện trở theo Từ trường). Hiện tượng AMR sau này được giải thích thỏa đáng nhờ thuyết cơ học lượng tử (1). Đó là sự Kết hợp spin-quỹ đạo của điện tử (electron spin-orbit coupling) (6).
Biết rằng sự biến đổi của điện trở theo từ trường có thể tạo nhiều ứng dụng, từ hơn một trăm năm qua nhiều khoa học gia đã cố gắng tìm hiểu thêm về sự biến đổi này trên những hợp kim đặc biệt và dưới những điều kiện bên ngoài khác nhau. Như trên đã nói, khi kỹ thuật làm những lớp màng cực kỳ mỏng ra đời trong thập niên 70s thì có thêm nhiều hy vọng cho những khám phá mới. Nhưng chờ mãi không thấy kết quả nào được công bố. Đến nỗi trong thâp niên 80s nhiều khoa học gia đã đồng ý là hướng khảo cứu trong lãnh vực này có thể đã đi vào ngõ cụt. Do đó sự công bố bất ngờ trong năm 1988 của các ông Fert và Grünberg đã làm cộng đồng khảo cứu sững sờ.
Ta hãy nhìn lại xem trong thời gian đó hai ông làm việc ra sao. Nhóm của của ông Fert đã kiên trì, tỉ mỉ làm vô số thí nghiệm trên nhiều lớp màng mỏng liên tiếp của Sắt (Fe) và Crôm (Cr). Để tạo những lớp màng mỏng cỡ nano mét này họ phải dùng sắt và crôm ở thể khí, dưới áp suất cực kỳ thấp, gần như ở trạng thái chân không. Lúc đó các nguyên tử sắt, rồi crôm đọng lại từ từ trên một mặt mẫu, và tạo nên những màng cực kỳ mỏng, lớp nọ bao lên trên lớp kia. Có lúc họ phải thí nghiệm trên những lớp từ 30 đến 60 cặp sắt/crôm liên tiếp. Nhóm của ông Grünberg thì khác. Họ tạo ra những lớp giống như chiếc bánh kẹp (sandwich) ở cỡ nano mét, gồm cặp ba sắt, crôm ở giữa, rồi sắt. Sau đó chỉ làm thí nghiệm trên một nhóm gồm vài bánh kẹp đặt liên tiếp.
Có lẽ vì dùng nhiều lớp kim loại nên nhóm của ông Fert đã đạt được một kết quả ngoạn mục. Sự biến đổi của điện trở do từ trường có thể lên đến 50 phần trăm. Trong khi đó nhóm của ông Grünberg cho thấy biến đổi chỉ cỡ 10 phần trăm. Nhỏ hơn, một phần vì nhóm này chỉ dùng có ba bánh kẹp sắt/crôm/sắt. Phần khác vì ông Grünberg làm thí nghiệm ở nhiệt độ thường. Trong khi đó thí nghiệm của ông Fert được thực thi ở nhiệt độ cực kỳ lạnh (4.2 độ Kelvin hay -269 độ Celsius). So với những biển đổi bình thường cỡ một, hai phần trăm thì kết quả của cả hai nhóm quả thực là "giant" (cực lớn). Ngoài ra vì lý thuyết vật lý đằng sau hai thí nghiệm này giống nhau, nên cả hai nhóm cùng mang vinh dự khám phá hiện tượng mới lạ này. Sau khi công bố, ông Fert có nêu lên tiềm năng ứng dụng của công trình khảo cứu. Thực tế hơn, khi nhìn thấy khả năng thực dụng của GMR, ông Grünberg đã xin cấp bằng sáng chế ngay trong lúc ông đang viết bài tường trình để công bố.
Bây giờ ta hãy đi sâu một chút vào khám phá của hai ông. Trước hết ta hãy tìm hiểu tại sao hai ông lại cùng chọn sắt và crôm để làm thí nghiệm. Lý do vì sắt giống như cobalt (Co) và kền (nickel; Ni) là những kim loại dễ bị từ hóa, thường được gọi là có tính thiết từ (ferromagnetic) (7). Còn crôm thì thuộc loại Vô từ (non-magnetic) (8). Sở dĩ crôm được chọn vì trong cơ cấu tinh thể của crôm, các kẽ lưới (lattice spacings) tương tự như những kẽ lưới của sắt. Đặc biệt, với bề mỏng cỡ nano mét, nhỏ hơn quãng đường di chuyển tự do trung bình (mean free path length) của điện tử, crôm đã tạo ra cơ chế phức tạp, tên là cơ chế kết hợp (coupling mechanism), giữa hai lớp sắt hai bên. Từ đó GMR xuất hiện.
Để minh họa GMR một cách đơn giản, ta nhìn ba lớp sắt/crôm/sắt. Như ta đã biết, điện trở sinh ra do sự phân tán điện tử trong những lớp kim loại này. Ta cũng biết rằng những điện tử có thể có spin hoặc hướng lên (up), hoặc hướng xuống (down). Như vậy dòng điện qua ba lớp kim loại trên là sự kết hợp của hai dòng điện. Một ứng với những điện tử có spin up, và một ứng với những điện tử có spin down. Mỗi loại điện tử chịu sự phân tán khi đi qua mỗi lớp kim loại và do đó có điện trở. Đối với crôm, khi từ trường thay đổi, sự phân tán điện tử không bị ảnh hưởng nhiều. Tuy nhiên như phần trên đã nói, crôm có ảnh hưởng mạnh mẽ trên hai lớp sắt hai bên. Khi từ trường bên ngoài bằng 0, nếu ở lớp sắt thứ nhất số lượng điện tử có spin up (ở quanh một mức năng lượng) nhiều hơn số lượng điện tử có spin down, thì ở lớp sắt thứ hai có sự đảo ngược. Nghĩa là ở đó số luợng điện tử có spin down lớn số lượng điện tử có spin up. Từ đó các vectơ biểu thị sự từ hóa (momen từ) ở hai lớp sắt có chiều trái nhau. Nếu bây giờ ta áp đặt một từ trường vào ba lớp kim loại kể trên thì từ trường này tác động trên spin và làm mất sự đảo ngược kể trên. Hai vectơ biểu thị từ hóa ở hai lớp sắt bây giờ cùng chiều. Sự khác biệt về chiều từ hóa đã tạo nên sự khác biệt về điện trở. Người ta tìm ra là sự thay đổi của điện trở khi từ trường thay đổi tỷ lệ với bình phương của hiệu số của hai điện trở tương ứng với hai loại spin (up và down). Tóm lại sự biến đổi điện trở càng lớn khi sự phân tán của hai loại điện tử càng khác nhau. Chính những màng cực mỏng của sắt và crôm đã tạo ra sự khác biệt phân tán đáng kể giữa hai loại điện tử. Tại đó GMR ra đời.
Sự khám phá của hai ông Fert và Grünberg về vai trò khống chế của spin điện tử ở cỡ nano mét đã mở đầu cho một hướng khảo mới, nghành spintronics (spin điện tử). Ở đây các khoa học gia, bên cạnh điện tích (charge) của điện tử, phải đặc biệt lưu tâm đến hoạt động của spin. Khai triển ý kiến của các ông Fert và Grünberg, một số nhà khảo cứu cũng tạo được hiện tượng GMR với những bánh kẹp có lớp giữa không phải là crôm mà là một chất cách điện (insulating material). Điều này có vẻ vô lý vì chất cách điện không để dòng điện đi qua thì làm sao có thể định được điện trở (vốn được coi như có trị số vô cực). Tuy nhiên nếu xét kỹ, ta thấy ở cỡ nano mét, trong lý thuyết cơ học lượng tử có một hiệu ứng đặc biệt có tên là tác dụng Đường hầm (tunnelling). Theo đó, ngay cả ở trong một chất cách điện, đâu đó cũng có một số điện tử có thể "lén lút" di chuyển và tạo nên dòng điện. Phương pháp mới này có tên TMR, Tunnelling MagnetoResistance (tạm dịch: Biến đổi Điện trở do Từ trường dưới tác dụng Đường hầm), rất hữu hiệu, và có tiềm năng thực dụng rất lớn.
Phương cách tạo những màng kim loại mỏng của các ông Fert và Grünberg, được đặt tên epitaxy (tạm dịch: cấy tinh thể), tuy chính xác nhưng tốn nhiều thì giờ và tốn kém. Do đó mặc dầu rất thích hợp cho công việc khảo cứu tại các phòng thí nghiệm, không thể dùng trong kỹ nghệ. Một người Anh, ông Stuart Parkin, đã đưa ra một kỹ thuật đơn giản, ít tốn kém, có tên sputtering (tạm dịch: rải vi tử). Chính nhờ kỹ thuật này mà năm 1997 GMR đã được đưa vào kỹ nghệ làm đĩa cứng, như ta sẽ bàn tới ở phần sau.
Đĩa Cứng (Hard Disk)
Đĩa cứng là một bộ phận tàng trữ dữ kiện (storage) (9) quan trọng trong máy điện toán. Như ta đã biết, máy điện toán được xây dựng trên một ý niệm vô cùng đơn giản nhưng cực kỳ hữu hiệu: hệ Nhị phân (binary system). Theo tên gọi, hệ nhị phân chỉ gồm hai chữ số, 0 và 1. Cả cương liệu (hardware/phần cứng) và nhu liệu (software/phần mềm), ở mức căn bản nhất phải phản ảnh tính Hai (nhị) này. Phần nhỏ nhất trong bộ phận tàng trữ là bit, có thể mang một trong hai trị số, hoặc 0 hoặc 1. Một đơn vị khác, byte, thường được coi như chứa 8 bits. Người ta cũng hay dùng bội số của byte như kilobyte (KB), megabyte (MB), gigabyte (GB), terabyte (TB), ...(10)
Mặt của đĩa cứng được phủ bằng một chất dễ từ hóa. Mỗi điểm nhỏ trên đĩa biểu thị cho một bit. Tại mỗi điểm này từ tính có thể ở một trong hai trạng thái, hoặc ứng với 0 hoặc ứng với 1. Việc tạo từ (viết), và nhận ra từ tính (đọc) tại mỗi điểm được thực hiện bởi một Đầu đọc-viết (read-and-write head) nằm trên một Cánh tay truyền động (actuator arm). Nhờ cánh tay này mà đầu đọc-viết có thể di chuyển từ tâm đĩa ra ngoài để từ đó có thể đọc hay viết tại mọi điểm trên mặt khi đĩa quay.
Trước kia, đầu đọc-viết chỉ dùng một nam châm để vừa đọc vừa viết. Nam châm này tạo từ hóa khi viết, và khi đọc thì nhận ra sự khác biệt trạng thái (ứng với 1 hoặc 0) tại một điểm nhờ hiện tượng Cảm ứng điện từ (electromagnetic induction) (11). Nhìn lại từ ngày bắt đầu được sử dụng trong kỹ nghệ, ta thấy đĩa cứng được cải tiến liên tục để có thể viết, đọc nhanh hơn và chứa được nhiều bits hơn. Muốn chứa được nhiều bits hơn thì người ta phải làm các điểm từ tương ứng nhỏ đi. Làm nhỏ thì dễ, viết (từ hóa) vào mỗi điểm cũng không khó. Nhưng càng nhỏ thì từ trường của mỗi điểm càng yếu do đó không thể đọc được. Chính khám phá của hai ông Fert và Grünberg đã giúp các kỹ thuật gia giải quyết nan đề này. Thật vậy, nếu hiện tượng cảm ứng điện từ không nhận ra sự biến đổi nhỏ của từ trường thì GMR có thể nhận ra nhờ sự biến đổi cực lớn (giant) của điện trở.
Để có thể sử dụng GMR, đầu đọc-viết phải được chia làm làm hai bộ phận riêng rẽ, một đọc, một viết, đặt gần nhau. Đầu viết vẫn dựa vào nguyên tắc cũ nhưng đầu đọc sẽ gồm màng kim loại mỏng có cơ cấu căn bản giống như trong thí nghiệm của hai ông Fert và Grünberg. Nhờ đó từ nay các nhà sản xuất có thể thoải mái thu nhỏ những điểm từ (bits) trên đĩa. Để có thể tăng gấp bội mật độ của điểm từ trên đĩa, một kỹ thuật có tên Perpendicular recording (tạm dịch: ghi từ theo hướng thẳng góc), được sử dụng. Theo đó vectơ từ tại điểm được từ hóa vuông góc với mặt đĩa và có thể có hai chiều trái nhau để biểu thị hai trạng thái (1 hoặc 0). Người ta hy vọng, với những kỹ thuật mới mẻ này, ta có thể viết đến mật độ cỡ một Tbits/square-inch (một Tbits (terabits) bằng 1000 tỷ bits (10); một square-inch bằng 6.45 cm vuông).
Cùng với sự cải tiến về mật độ điểm từ trên đĩa, phần cơ học cũng phải được đổi mới để đĩa có thể quay thật nhanh. Phải nhanh vì khi đĩa quay càng nhanh thì lượng dữ kiện được đọc, viết mỗi giây càng nhiều hơn. Ngày nay đĩa có thể quay với vận tốc đáng nể, từ 7000 đến 10,000 vòng mỗi phút. Lượng dữ kiện di chuyển trong lúc vận hành lên tới 80 MB/giây (MB: megabyte). Với vận tốc quay ghê gớm như vậy, để có thể đọc, viết một cách chính xác, hệ thống đầu đọc, viết phải được thiết kế để "bay" thật gần mặt đĩa nhờ một lớp đệm không khí cực kỳ mỏng. Mỏng đến cỡ 10 - 20 nano mét!
Với sự đóng góp của vô số khoa học và kỹ thuật gia trong đó có hai ông Fert và Grünberg, đĩa cứng đã trở thành một công trình kỹ thuật cực kỳ tinh xảo của thời đại mới.
Để có thể thấy tiến bộ của đĩa cứng trên 50 năm qua, ta hãy nhìn lại ổ đĩa cứng đầu tiên do hãng IBM chế tạo năm 1956. Ổ này gồm 50 đĩa cứng có đường kính 24 inches (61 cm). Mỗi đĩa có thể chứa từ điểm trên hai mặt và quay cỡ 1200 vòng/phút. Toàn bộ hệ thống nặng cỡ một tấn và có kích thước gần bằng hai cái tủ lạnh lớn. Sức chứa? Khoảng 4.5 MB (megabytes). Năm nay, 2007, hãng Hitachi đã cho ra đời một ổ đĩa cứng gồm 5 đĩa mỏng, đường kính 3.5 inches (8.89 cm), dùng cho máy điện toán cá nhân. Toàn bộ có kích thước cỡ một cuốn sách mỏng, khổ nhỏ. Sức chứa? 1 TB (lưu ý, một TB bằng một triệu MB). "Nóng mặt," các hãng cạnh tranh đang ráo riết sửa soạn cho ra mắt một ổ chỉ gồm 1 đĩa duy nhất mà vẫn có sức chứa cỡ một TB. Ta hãy chờ.
Ngoài ra, khai triển ý niệm TMR (Tunnelling MagnetoResistance) ở trên, các nhà sản xuất đang phát triển một hệ tồn trữ với hy vọng có thể thay thế RAM (Random Access Memory) (9). Đó là bộ nhớ MRAM (Magnetic/Magnetoresistive Random Access Memory; tạm dịch: bộ nhớ từ khả nhập bất kỳ). MRAM được thiết kế giống như RAM gồm những mạng điện và đường chuyển dữ kiện cực kỳ tinh vi. Chỉ khác là dòng điện thay vì tạo điện tích trong các bộ tụ điện cực kỳ nhỏ thì tạo ra các điểm từ. Ngoài khả năng có thể làm tăng mật độ của các điểm từ (giảm kích thước của mỗi bit), MRAM còn là một loại bộ nhớ kiên định giống như đĩa cứng. Do đó kích thước của MRAM sẽ nhỏ và đặc biệt khi bị cắt điện bất ngờ, dữ kiện đang vận hành không bị mất. Ngoài ra sau khi tắt máy, ta có thể tái khởi động (restart) nhanh hơn nhờ dữ kiện cần thiết còn lưu lại trong MRAM. Với RAM, sau khi tắt máy, dữ kiện bị xóa hết nên khi tái khởi động, máy phải nạp lại một số dữ kiện thuộc hệ điều hành (gọi là boot; nạp dữ kiện điều hành). Đây là một việc không ai thích vì mất thì giờ.
Kết luận
Như trên đã trình bầy, khám phá có tính cách cơ bản của hai ông Fert và Grünberg đã có ảnh hưởng tích cực vào nhiều ngành kỹ thuật liên hệ đến điện từ học, trong đó đĩa cứng chỉ là một thí dụ nổi bật. Ngoài ra, sự khảo sát tường tận về spin của điện tử ở những lớp màng cực kỳ mỏng của vật chất hy vọng sẽ tạo nền tảng cho nhiều khám phá quan trọng trong kỹ thuật nano, một kỹ thuật còn nhiều thách đố nhưng đầy hứa hẹn.
(1) Một cách đơn giản, cơ học lượng tử là ngành vật lý liên hệ đến các hạt tử ở kích thước rất nhỏ. Theo đó, Năng lượng (Energy), Động lượng (Momentum), Động lượng Quay (Angular Momentum), cũng như Điện tích (Charge) được trao đổi theo những luợng Gián đoạn (discrete), gọi là Nguyên lượng hay Lượng tử (Quantum/Quanta). Thí dụ như để mô tả mức năng lượng của điện tử (elecron) trong nguyên tử người ta dùng bốn số nguyên lượng: Chính (Principal; ký hiệu n), Động lượng Quay (l), Từ (Magnetic; m) và Spin (s).
n có thể có những trị số nguyên dương từ 1 đến vô hạn. Với nguyên tử ở trạng thái cơ bản (ground-state), trị số lớn nhất của n là 7.
l có thể có trị số nguyên từ 0 đến n-1. Thí dụ như nếu n=4 thì l có thể là 0, 1, 2, và 3. Các hóa học gia thường dùng chữ s (viết tắt của sharp) để chỉ l=0, p (principal) khi l=1, d (diffuse) cho l=2, và f (fundamental) lúc l=3.
Trị số của m phụ thuộc vào l và bằng: –l, -(l-1), ..., 0, ..., (l-1), l. Thí dụ như nếu l=3, m sẽ là: -3, -2, -1, 0, 1, 2, 3.
s (hay còn gọi là ms) có thể bằng ½ hoặc -½.
Sự phân bố của điện tử dựa vào một số quy tắc.
a) Quy tắc Aufbau: Một cách tổng quát các điện tử (electrons) sẽ lấp đầy các vân đạo nguyên tử trống ở tầng năng lượng thấp nhất trước rồi mới vào các vân đạo ở tầng năng lượng cao hơn. (Aufbau là từ tiếng Đức có nghĩa là xây dựng)
b) Quy tắc Hund: Trong những vân đạo nguyên tử có cùng mức năng lượng (equal-
energy orbitals) mỗi vân đạo sẽ được chiếm bởi một điện tử trước rồi sau đó những
điện tử có spin trái dấu mới được đưa vào. Thí dụ như mỗi trong ba vân đạo 2p (2px ,
2py, và 2pz ) giữ một điện tử trước rồi mới nhận điện tử thứ hai (Friedrich Hund [1896 – 1997] là vật lý gia người Đức).
c) Quy tắc ngoại trừ Pauli (Pauli exclusion principle): Không thể có hai điện tử có cùng
bốn số lượng tử (n, l, m , s) (Wolfgang Pauli [1900 – 1958], vật lý gia Mỹ gốc Áo, đoạt giải Nobel Vật lý 1945).
Theo trên ta thấy, với mỗi trị số của m ta có tối đa 2 điện tử. Từ đó tầng s có tối đa 2 điện tử, tầng p có 6, d có 10, và f có 14.
Tính chất của mỗi nguyên tố phụ thuộc vào sự sắp xếp điện tử (electronic configuration) của nguyên tử tương ứng, đặc biệt là tầng ngoài cùng. Thí dụ như sắt (iron) có 26 điện tử, ứng với sắp xếp: 1s(2)2s(2)2p(6)3s(2)3p(6)4s(2)3d(6). Như vậy sắt có 6 điện tử ở tầng ngoài cùng. Tương tự, cobalt có 7, 3d(7), và nickel có 8, 3d(8). Riêng crôm (chromium) với 6 điện tử ở tầng ngoài cùng, có cơ cấu bất thường, 4s(1)3d(5).
(2) Albert Einstein (1879-1955; thắng giải Nobel Vật lý năm 1921) là cha đẻ của Thuyết Tương đối (Hẹp và Rộng).
Thuyết Tương đối Hẹp (Special Relativity) gồm hai tiền đề: (i)Vận tốc Ánh sáng không đổi đối với bất cứ Quan sát viên nào (dù đang di chuyển). (ii) Các định luật Vật lý không đổi trong bất cứ Hệ quy chiếu Quán tinh nào (Inertial frame of reference; không có gia tốc). Kết quả từ hai tiền đề này đã làm đảo lộn các định luật vật lý cổ điển nhất là đối những vật có chuyển động rất nhanh.
Một cách đơn giản, thuyết Tương đối Rộng (General Relativity) cho rằng có sự tương đương giữa Trọng trường (Gravitation) và Gia tốc (Acceleration). Từ đó suy ra ý niệm Không-Thời gian Cong (Spacetime Curvature) mà một loại đại lượng có tên Tensor Cong (Tensor Curvature) có liên hệ đến sự phân bố Vật chất và Năng lượng.
(3) Richard P. Feynman (1918-1988) chia giải Nobel Vật lý 1965 với Sin-Itiro Tomonaga (1906-1979) và Julian Schwinger (1918-1994).
(4) Những transistors hiện được chế tạo theo một phương pháp có tên photolithography (tạm dịch: In ảnh bằng ánh sáng). Theo một số tài liệu, riêng tại Mỹ, các nhà máy có thể sản xuất 3 tỷ transistors mỗi giây bằng phương pháp này. Ánh sáng dùng để "in" transistors là tia cực tím (ultraviolet light). Nếu những mẫu in quá nhỏ ánh sáng này sẽ bị nhiễu xạ (diffracted) và kết quả sẽ mất chính xác. Có nhiều phương pháp khác nhau được đề nghị để thay thế tia cực tím, như dùng chùm điện tử (electron-beam) hay tia x (x-ray),...Tốn phí có thể lên đến hàng trăm triệu đô la.
(5) Ống nano (nanotubes) có nhiều loại. Một loại quan trọng, carbon nanotubes, là những ống có đường kính cỡ nano mét, bề dày cực mỏng, bằng kích thước của nguyên tử carbon. Ống này rất dẻo dai và có nhiều tính khác thường về điện và nhiệt.
Chấm điện tử (quantum dots) là những tinh thể (crystals) chỉ chứa chừng vài trăm nguyên tử. Chấm điện tử có nhiều tính chất quang học, điện học và từ học đặc biệt.
(6) Trong cơ học lượng tử, spin của điện tử liên hệ đến sự hiện diện của một động lượng quay (angular momentum) trong điện tử, không nhất thiết là có sự quay thực sự của điện tử quanh chính nó. Electron spin-orbit coupling là sự kết hợp giữa spin vừa kể và chuyển động của điện tử quanh nhân nguyên tử. Từ đó có sự phân tán điện tử theo hướng từ trường (điện trở tăng).
(7) Một thanh nam châm có thể hút sắt (Fe), cobalt (Co) hay nickel (Ni),... rất mạnh nhưng lại hút yếu nhôm (Al), kali (K) hay magnê (Mg),.. và lại đẩy nhẹ đồng (Cu), carbon (C), hay bạc (Ag),...Những chất như sắt, cobalt hay nickel được xếp vào loại thiết từ (ferromagnetic). Còn những chất tương tự như nhôm, kali, magnê,...thuộc loại thuận từ (paramagnetic). Cuối cùng các chất như đồng, carbon hay bạc,... được gọi là có tính phản từ (diamagnetic).
Từ tính của vật chất sinh ra từ sự quay của điện tử quanh nhân. Từ đó, có momen của lưỡng cực từ (magnetic dipole moment) và từ trường (magnetic field). Có hai loại momen (lưỡng cực) từ. Một loại kết hợp với một đại lượng liên hệ đến quỹ đạo của điện tử, có tên momen góc quỹ đạo (orbital angular momentum). Trong đa số vật chất, hướng của momen góc thay đổi theo từng nguyên tử. Do đó trị số trung bình momen từ của tất cả nguyên tử sẽ bằng 0. Loại momen từ thứ hai kết hợp với momen góc spin (spin angular momentum) (6). Nếu tất cả những momen góc spin của điện tử được ghép cặp (paired) với chiều trái nhau thì momen từ của toàn bộ hệ thống cũng bằng không. Đây là trường hợp của chất phản từ. Nhưng nếu có một ít điện tử không ghép cặp thì momen từ tương ứng sẽ làm vật chất có một ít từ tính vĩnh viễn. Chất thuận từ nằm trong trường hợp này.
Chất phản từ bị nam châm đẩy nhẹ vì có sự thay đổi của momen từ để chống lại ảnh hưởng của từ trường bên ngoài (định luật Lenz). Chất thuận từ được nam châm hút nhẹ vì, như trên đã nói, có momen (lưỡng cực) từ vĩnh viễn. Từ trường bên ngoài làm các momen từ này thẳng hàng (aligned) và chất thuận từ bị hút. Lưu ý là tính thuận từ dễ mất do ảnh hưởng của Dao động nhiệt (thermal agitation), vốn có tự nhiên do nhiệt độ.
Tương tự như chất thuận từ, chất thiết từ (ferromagnetic) có nhiều nguyên tử chứa những điện tử không ghép cặp (unpaired electrons) và do đó có momen từ vĩnh viễn. Trong từng Vùng từ nhỏ (magnetic domains), cỡ 1mm, những momen từ của các nguyên tử này thẳng hàng với nhau. Nhưng trong cả khối vật chất có vô số vùng từ vừa kể và momen từ của mỗi vùng từ lại có hướng khác nhau. Khi một chất thiết từ được đặt trong một từ trường thì từ trường này sẽ làm cho các momen từ của mỗi vùng từ thẳng hàng với nhau. Sự thẳng hàng này làm chất thiết từ trở thành một nam châm vĩnh viễn và bị hút mạnh. Lưu ý là khi bị va chạm mạnh sự thẳng hàng bị xáo trộn và từ tính của chất thiết từ có thể bị mất. Ngoài ra khi nhiệt độ tăng thì dao động nhiệt tăng, và khả năng giữ từ tính vĩnh viễn bị giảm. Khi nhiệt độ lên quá một nhiệt độ có tên là nhiệt độ Curie thì chất thiết từ (ferromagnetic) trở thành thuận từ (paramagnetic).
(8) Vì bị nam châm hút rất yếu nên người ta có thể xếp crôm vào loại thuận từ (paramagnetic) hay, một cách nôm na, vô từ (non-magnetic). Thực ra crôm thuộc loại Phản thiết từ (antiferromagnetic). Theo đó, trong mạng kim loại, mỗi nguyên tử có spin trái chiều với spin của nguyên tử bên cạnh. Khi nhiệt đô tăng, hướng của những spin thay đổi nên từ tính thay đổi. Nếu nhiệt độ lên cao hơn một nhiệt độ có tên Néel (Néel temperature) chất phản từ thiết trở thành thuận từ.
(9) Có nhiều loại tàng trữ (storage) hay bộ nhớ (memory). Một loại quan trọng có tên là RAM (random access memory; bộ nhớ khả nhập bất kỳ). Thường được gọi là bộ nhớ chính (main memory), RAM là một loại bộ nhớ hoạt động (working memory) của máy điện toán. Đây là nơi chứa những dữ kiện nhị phân (bits) liên hệ đến những mệnh lệnh đang tiến hành. Bits được tồn trữ trong RAM nhờ tác dụng điện trên những transistors và capacitors (bộ tụ diện). RAM được thiết kế để được đọc và viết cực kỳ nhanh. Bộ CPU (Central Processing Unit; Bộ xử lý trung ương) nối trực tiếp với RAM bằng những đường dẫn dữ kiện gọi là bus. Có hai loại bus: bus chuyển dữ kiện (data bus) và bus chuyển địa chỉ (address bus). Trong CPU còn có hai loại bộ nhớ trung gian là Register (bộ ghi) và Cache (bộ nhớ ẩn). RAM có thể có hai loại: SRAM (Static RAM; RAM tĩnh) và DRAM (Dynamic RAM; RAM động). RAM, register, cache,...có tính Không kiên định (volatile), nghĩa là sẽ mất hết dữ kiện khi điện bị cắt. Trong những loại tàng trữ/bộ nhớ Kiên định (non-volatile) dữ kiện có thể tồn tại mà không cần dòng điện. Đĩa cứng (viết bằng từ), CD và DVD (viết bằng tia laser), Flash memory/Memory stick (viết bằng điện) là những thí dụ của bộ nhớ kiên định.
(10) Những bội số thường dùng là kilo (K; ngàn: 1,000), mega (M; triệu: 1,000,000), giga (G; tỷ: 1,000,000,000), tera (T; ngàn tỷ: 1,000,000,000,000), peta (P; triệu tỷ: 1,000,000,000,000,000), exa, zetta, yotta,...Những ước số quen biết là milli (m; 1 phần ngàn: 1/1,000), micro (; 1 phần triệu: 1/1,000,000), nano (n; 1 phần tỷ: 1/1,000,000,000), pico (p; 1 phần ngàn tỷ: 1/1,000,000,000,000), femto (f; 1 phần triệu tỷ: 1/000,000,000,000,000), atto, zepto, yocto,...
(11) Khi từ trường thay đổi, từ thông (magnetic flux) biến đổi và tạo ra dòng điện theo định luật Faraday và Lenz.
Tài liệu tham khảo
Benson, Harris, University Physics, John Wiley & Sons Inc., 1996.
Feynman & Leighton & Sands, Lectures on Physics, Addison-Wesley Co., 1965.
Scientific American: Sept. 2001.
The Royal Swedish Academy of Sciences’ Website.
Những bài liên hệ
Giải Nobel Sinh Lý / Y Học 2006 Và Ngành Sinh Học Phân Tử
http://www.vietnamreview.com/modules.php?name=News&file=article&sid=5113
Nhân Giải Nobel Hóa Học 2005, Nhìn Lại
http://www.vietnamreview.com/modules.php?name=News&file=article&sid=2263
Giải Nobel Vật lý 2004 và Kiểu mẫu Tiêu chuẩn
http://www.vietnamreview.com/modules.php?name=News&file=article&sid=463.
http://www.vietnamreview.com/modules.php?name=News&file=article&sid=7144
Năng Lượng Gió và Các Nguồn Năng Lượng Tương Lai
Năng Lượng Gió và Các Nguồn Năng Lượng Tương Lai
[29/12/2007 - Tác giả: admin1 - Vietnam Review]
TS Mai Thanh Truyết
West Covina, California
25-12-2007
Hình (Wikipedia): Nhà máy xay dùng năng lượng gió tại La Mancha, Tây Ban Nha xây vào thế kỷ XVII.
Ngoài năng lượng mặt trời, năng lượng gió là một năng lượng thiên nhiên mà loài người đang chú trọng đến cho nhu cầu năng lượng trên thế giới trong tương lai. Hiện nay, năng lượng gió đã mang đến nhiều hứa hẹn. Tuy nhiên nếu muốn đẩy mạnh nguồn năng lượng nầy trong tương lai, thế giới cần phải hoàn chỉnh thêm công nghiệp nầy cũng như làm thế nào để đạt được năng suất chuyển gió thành điện năng cao để từ đó có thể hạ giá thành và đi sâu vào thị trường cạnh tranh với những nguồn năng lượng khác.
Từ 5000 năm trước Thiên húa (TC), loài người đã biết vận dụng gió để làm lực đẩy các tàu trên sông Nile ở Ai Cập. Vào khoảng 200 trước TC, người Trung Hoa đã biết dùng cánh quạt gió để dẫn thủy nhập điền. Trong lúc đó người Ba Tư và các dân tộc vùng Trung Đông dùng quạt gió có trục đứng để xay lúa mì và các loại hạt.
Vào thế kỷ 11, người Hòa Lan bắt đầu dùng quạt gió để rút nước từ các hồ vì đất ở đây thấp hơn mặt biển. Vào cuối thế kỷ 19, khi những người mới nhập cư đến New York, họ đã biết dùng cánh quạt gió để bơm nước vào nông trại và ngay sau đó có thể biến gió thành điện cho kỹ nghệ và nhà ở.
Và sau cùng, ở thời điểm 1930, Hoa Kỳ đã có những chương trình biến gió thành điện năng cho những vùng nông thôn xa thành phố. Vào năm 1940, tại Vermont Hill (Hoa Kỳ), một turbine lớn nhất thời bấy giờ có khả năng sản xuất 1,25 MW với vận tốc gió là 30 dậm/giờ.
Trong thế kỷ 20, năng lượng gió đã trãi qua nhiều giai đoạn thăng trầm tùy theo tình hình thế giới cũng như nguồn cung cấp dầu hỏa hay than đá. Ngay sau khi đệ nhị thế chiến chấm dứt, giá dầu hỏa sụt giảm mạnh do đó công nghệ gió hầu như bị ngưng trệ hoàn toàn. Nhưng khi nạn khủng hoảng dầu hỏa vào thập niên 70, các turbine gió được chú ý đến và công nghệ nghiên cứu và phát triển nguồn điện năng nầy lớn mạnh ngay sau đó. Và cho đến hôm nay, công nghệ gió đã tiến đến mức độ là giá thành của loại điện năng nầy tương đương với giá thành của các nguồn điện năng khác như than đá, khí đốt. Và đây cũng là nguồn hy vọng của thế giới trong tương lai trước vấn nạn hâm nóng toàn cầu và nguồn nguyên liệu dầu khí đang tên đà cạn kiệt.
Thuận lợi của nguồn năng lượng gió
Nguồn năng lượng nầy đã cho thấy nhiều điểm thuận lợi. Đó là lý do chính khiến cho sự phát triển tăng nhanh trên thế giới trong những thập niên gần đây.
Năng lượng gió dựa trên nguyên lý là gió tạo ra sức quây các turbine và sẽ tạo ra điện năng. Nguồn năng lượng nầy tương tự như năng lượng mặt trời, vì gió là nguyên nhân của sự hâm nóng bầu khí quyển quanh mặt trời, do sự chuyển vận của trái đất, và do mặt đất lồi lõm. Ba yếu tố trên là ba nguyên nhân chính tạo thành gió. Hiện tại, giá thành của nguồn điện năng nầy giao động từ 4 đến 6 xu/KW/giờ tùy theo nguồn gió của từng địa phương. Các thuận lợi khi xử dụng nguồn điện năng nầy là:
o Giúp làm tăng trưởng kinh tế: Các hảng xưởng sản xuất turbine gió tăng trưởng sẽ tạo thêm việc làm khắp nơi. Theo ước tính của Hoa Kỳ, kỹ nghệ nầy sẽ tăng 20 ngàn công việc và tăng thêm lợi tức quốc gia là 1,2 tỷ Mỹ kim cho HK.
o Nguồn nguyên liệu vô tận: Chỉ cần áp đặt 6% trên những vùng có nhiều gió ở HK cũng có thể cung cấp 150% điện năng của HK hiện tại, căn cứ theo ước tính của Bộ Năng Lượng HK.
o Giá thành thấp: Cũng theo ước tính của Bộ Năng Lượng HK, vào năm 2010 giá điện từ năng lượng gió sẽ rẻ hơn bất cứ giá điện từ các nguồn khác như than, dầu, hay biomass...
o Làm sạch không khí, giảm thiểu hiệu ứng nhà kính: Điện năng từ gió giúp làm giảm ô nhiễm không khí so với các nguồn điện năng khác. Chúng không phóng thích khí carbonic, hay các khí độc như carbon monoxide ảnh hưởng lên môi trường và sức khỏe người dân.
Không thuận lợi
Tuy nhiên, điểm bất thuận lợi chính yếu của nguồn năng lượng nầy là việc phải tùy thuộc vào thiên nhiên. Dù công nghiệp gió đang phát triển cao, và giá thành của một turbine gió giảm dần từ hơn 10 năm qua, mức đầu tư ban đầu cho nguồn năng lượng nầy vẫn còn cao hơn mức đầu tư các nguồn năng lượng cổ điển.
Gió đến từ thiên nhiên cho nên gió không đáp ứng trọn vẹn được những nhu cầu cần thiết của con người, vì con người không thể kiểm soát được nguồn gió và nguồn điện năng nầy không thể giữ lại được nguồn điện dư thừa, trừ khi chuyển điện qua các bình điện dự trử rất tốn kém và không có hiệu quả kinh tế.
Nguồn gió nhiều và điều đặn thường ở khu vực xa thành phố, do đó ngoài việc xử dụng tại chỗ, điện năng từ gió khó được chuyển về các khu đông dân cư. Do đó, trước khi có những biện pháp nhằm giải quyết các thuận lợi trên, năng lượng từ gió có thể xem như một nguồn năng lượng dự phòng ngoài các nguồn năng lượng chính yếu khác.
Dĩ nhiên không có một nguồn năng lượng nào mà không ảnh hưởng lên môi trường. Trong trường hợp năng lượng gió, ảnh hưởng cần phải lưu tâm là các turbine gió gây ra tiếng động làm đão lộn các luồng sóng trong không khí có thể làm xáo trộn hệ sinh thái của các loài chim hoang dã và làm nhiễu xạ trở ngại chính cho việc phát tuyến trong truyền thanh và truyền hình (Các bất thuận lợi nầy đã được giải quyết bằng kỹ thuật làm cánh quạt mới to và cao hơn hiện tại, do đó quạt sẽ quây chậm hơn, không làm đão lộn phương hướng di chuyển của chim muông và giảm thiểu sự biến đổi của hệ sinh thái chung quanh). Tuy nhiên, những bất lợi nầy không thể phản bác lại một lợi điểm quan trọng trong việc sản xuất nguồn năng lượng nầy là giảm thiểu được lượng khí CO2 phóng thích vào không khí, nguyên tố chính của sự hâm nóng toàn cầu.
Mức xử dụng năng lượng gió trên thế giới
Trên thế giới trung bình mức sản xuất năng lượng từ gió tăng gấp đôi trong mỗi 3 năm; nhưng trong vòng ba năm vừa qua, mức tăng trưởng càng tăng nhanh hơn nữa. Lý do là giá dầu thô ngày càng tăng và không có chỉ dấu chậm việc tăng giá lại trong tương lai. Theo thống kê, cho đến năm 2000, các quốc gia trên thế giới đã sản xuất 17.500 MW tương đương với lượng điện năng tiêu thụ trong một năm của quốc gia Chí Lợi. Đan Mạch với 2.000MW hàng năm, tượng đương với 12% mức tiêu thụ toàn quốc của quốc gia nầy.
Về giá thành, năng lượng gió có thể so sánh với các loại năng lượng đến từ các máy phát nhiệt điện. Gần đây nhất, với sự tiến bộ của công nghệ gió, hiệu năng biến thành điện năng tăng cao, do đó giá thành ngày càng giảm dần. Trung bình giá thành để xây dựng một hệ thống điện từ gió là $1.000/KW điện trong đất liền, và ngoài đại dương là $1.600/KW. Giá thành còn tùy thuộc vào sức gió của mỗi vùng. Để có một khái niệm về giá thành của các lọai năng lượng so với năng lượng gió ở các vùng thưa dân cư xa thành phố là: $0,48/KW/giờ cho năng lượng gió, và $0,80 KW/giờ cho nguồn năng lượng đến từ dầu diesel (giá thành ở Hoa Kỳ năm 2006).
Hiện tại công ty Southern California Edison (SCE) đã bắt đầu xây dựng một nhà máy phát điện dùng năng lượng gió ở vùng đồi núi Tehachapi, phía đông thành phố Los Angeles. Dự kiến sẽ xử dụng 50 dặm vuông để lắp đặt hệ thống quạt gió và sẽ khánh thành giai đoạn I vào năm 2010 với công suất 1.500 MW, lượng điện nặng cung cấp đủ năng lượng cho một triệu nhà. Khi hoàn tất giai đoạn II, công suất sẽ tăng lên 4.500 MW, có lượng điện năng tương đương với bốn nhà máy phát điện hạch nhân.
Tại quốc gia Cộng Sản Cuba, nhà cầm quyền đang cho thiết lập 100 hệ thống gió với sự trợ giúp kỹ thuật của các nước Tây phương, cung cấp tổng cộng khoảng 18 MW, dự trù hoàn tất vào tháng 7, 2007. Dự án nầy giúp cho Cuba tiết kiệm được 1.300 tấn dầu nhập cảng.
Theo thống kê vào tháng 4, 2005 cho thấy mức xử dụng năng lượng gió của vài quốc gia trên thế giới như sau: Đức với 16.628 MW, Tây Ban Nha, 8.263 MW, Hoa Kỳ, 6.752 MW, Đan Mạch, 3.118 MW, Ấn Độ, 2.983, Trung Cộng, 764 MW, và Pháp, 390 MW.
Kỹ thuật biến nguồn gió thành điện năng
Như đã nói ở phần trên, gió là một dạng của năng lượng mặt trời. Luồng gió cũng như cường độ gió tùy thuộc vào mức độ lồi lõm của mặt đất, mức độ rậm rạp của thực vật trên đất, và diện tích của ao hồ, biển cả v.v... Con người xử dụng nguồn gió trong nhiều ứng dụng khác nhau như: chạy thuyền bè, dẫn thủy nhập điền, và nhất là biến thành điện năng.
Tiến trình chuyển tải nguồn gió qua một turbine để sản xuất ra nguồn điện năng cần phải qua nhiều giao đoạn: Turbine gió biến động năng (kinetic energy) thành cơ năng (mechanical energy). Chính cơ năng nầy sẽ được chuyển thành điện năng qua máy phát điện. Câu hỏi được đặt ra là làm thế nào để biến các turbine gió thành điện năng? Thật giản dị, gió làm các cánh quạt xoay tròn và chuyển động nầy tạo qua điện nhờ một máy phát điện. Từ đó điện năng được chuyển đi cùng khắp.
Vì lượng gió thổi không đều đặn, cho nên lượng điện nặng cung cấp bị giao động. Để giải quyết trở ngại trên, các turbine gió cần được kết hợp chung với các nguồn năng lượng khác để có được nguồn điện liên tục và cố định. Tại Liên Hiệp Âu Châu, những turbine nầy được nối mạng điện toàn Âu Châu, nhờ đó mà việc sản xuất điện được điều hòa.
Các loại turbine gió
Có hai loại turbine gió căn bản: Loại quạt gió có trục ngang và loại quạt gió có trục đứng còn gọi là turbine Darrieus (mang tên nhà sáng chế Pháp). Loại quạt gió có trục ngang với 3 cánh quạt được xử dụng rộng rãi ở Hoa Kỳ, và quạt nầy được đặt đối diện với hướng gió được gọi là “up wind”. Và loại 2 cánh quạt được đặt cùng chiều với hướng gió gọi là “down wind”.
Một tập hợp turbine gió muốn đạt được hiệu quả kinh tế tối thiểu phải sản xuất ít nhất là 50 KW, và các tập hợp lớn có thể cho đến nhiều MW. Các tập hợp turbne nhỏ thường được kết hợp vớpi các photovoltaic của năng lượng mặt trời để cung cấp một nguồn điện liên tục và ổn định.
Công nghiệp của một turbine gió
Một turbine gió gồm những bộ phận sau:
o Một máy đo vận tốc gió và chuyển kết quả nầy qua một hệ thống kiểm soát. Các cánh quạt được làm bằng hợp kim nhẹ hay một loại composite hữu cơ;
o Một hệ thống thắng để có thể ngừng việc xoay vòng của quạt gió trong trường hợp khẩn cấp hay bảo trì;
o Một hệ thống kiểm soát vận tốc của gió. Hệ thống nầy tự động ngưng mọi hoạt động của turbine khi vận tốc gió đạt đến 65 dậm/ giờ vì với vận tốc nầy sẽ làm nóng và có thể làm hư máy phát điện;
o Một hệ thống hộp số có nguyên tắc giống như hộp số xe hơi, có mục đích làm tăng vận tốc quây của gió từ 30 đến 60 vòng/phút lên 1.200 đến 1.500 v/p để có khả năng phát ra điện. Đây là phần chính yếu của turbine gió và giá thành của bộ phận nầy chiếm 75% già thành của toàn hệ thống turbine.
Vì vậy, những nhà nghiên cứu hiện tại cố gắng tìm giải pháp thay thế khác để có thể biến gió thành điện năng ở những vận tốc quây thấp mà không cần đến bộ phận nầy;
o Sau cùng, một máy phát điện để dự trữ điện năng từ hệ thống turbine gió phát ra.
Trường hợp Việt Nam
Đối với Việt Nam, tại các tỉnh vùng duyên hải chạy dài từ Ninh Thuận đến mũi Né, Bình Thuận là những vùng thuận lợi lớn để thiết trí các hệ thống turbine gió. Trong một tương lai không xa, ước tính vào khoảng 30 năm nữa, các nguồn năng lượng cổ điển như than đá, dầu khí sẽ dần dần bị cạn kiệt; thủy điện sẽ trở thành một hiểm họa lớn cho môi trường. Trong lúc đó điện năng từ các lò phản ứng hạch nhân vẫn còn là một khái niệm mơ hồ cho các nhà làm khoa học Việt Nam. Rốt ráo lại, chỉ còn lại hai nguồn điện năng sạch và khả năng thực hiện cao: Đó là nguồn năng lượng mặt trời và năng lượng gió.
Theo kết quả khảo sát của Ngân Hàng Thế Giới trong Chương Trình Đánh Giá Về Năng Lượng Cho Á Châu, Việt Nam là một quốc gia có tiềm năng về năng lượng gió cao nhất Đông Nam Á, với 513.360 MW, tức là hơn 200 lần công suất của thủy điện Sơn La khi hoàn tất, và hơn 10 lần tổng công suất dự báo của ngành điện Việt Nam năm 2020. Cũng theo nghiên cứu của Ngân Hàng Thế Giới , hai vùng giàu tiềm năng ngất để phát triển năng lượng gió là Sơn Hải (Ninh Thuận và vùng đồi phía Tây Hàm Tiến đến Mũi Né - Bình Thuận). Gió hai nơi nầy có vận tốc trung bình lớn và rất ổn định, có vận tốc khoảng 6- m/giây. Với vận tốc nầy, có thể xây dựng các trạm điện gió công suất có thể lên 5 MW. Hiện tại, Việt Nam đã thử nghiệm hai quạt gió ở Cần Giờ, nhưng vì gió lớn do đó cả hai quạt gió đều bị gảy. Tại Đà Lạt, trong khu vực quân đội cũng có thiết lập các quạt gió, nhưng vẫn còn trong quy mô thí nghiệm.
Thiết nghĩ, ngay từ bây giờ, đã đến lúc Việt Nam cần phải quan tâm và bắt đầu xây dựng mạng lưới của hai nguồn điện năng nầy. Đây là một đầu tư đúng đắn và lâu dài cũng như khá tốn kém. Nếu không có những chuẩn bị ngay tức khắc, thì cuộc khủng hoảng năng lượng nhiều phần có thể xảy ra cho Việt Nam trong tương lai. Với đà gia tăng dân số hiện tại, với nhu cầu phát triển kinh tế hầu thâu ngắn cách biệt giàu-nghèo so với các quốc gia lân bang, thêm một lý do nữa để Việt Nam cần phải đẩy mạnh nguồn sản xuất năng lượng theo cấp số nhân chứ không phải cấp số cộng như hiện nay.
Năng Lượng Tương Lai
Năng lượng chúng ta đang tiêu dùng xuất phát từ nhiều nguồn khác nhau. Từ thiên nhiên, cần phải kể đến than đá, than bùn, dầu hỏa, và khí thiên nhiên. Do nhân tạo, có nguồn năng lượng từ thủy điện còn được gọi là than trắng, nguồn nguyên tử năng, và năng lượng từ gió và từ ánh sáng mặt trời.
Đối với các tài nguyên thiên nhiên thuôc nhóm thứ nhất, theo ước tính thì khoảng độ 80 năm nữa, các nguồn năng lượng trên sẽ bị cạn kiệt vì con người đã và đang tận dụng tối đa, và với mức độ cấp số nhân nhanh hơn mức tái tạo của thiên nhiên. Do đó, ngay từ bây giờ nếu không chuẩn bị để nghiên cứu hay truy tìm những nguồn tài nguyên về năng lượng mới, thế giới sẽ đi dần đến sự tự hủy diệt.
Đối với nguồn năng lượng đến từ nhóm hai, thủy điện đã xuất hiện từ hơn 70 năm trước đây, và đã là nguồn hy vọng cho nhân loại trong một thời gian dài. Từ ban đầu và căn cứ theo hướng suy nghĩ của những nhà khoa học thời bấy giờ thì thủy điện là một nguồn điện năng sạch và toàn hảo vì không tạo ra ô nhiễm môi trường. Do đó, các đập thủy điện được tiếp nối xây dựng ồ ạt từ các quốc gia tân tiến cho đến những quốc gia đang phát triển. Nhưng trong khoãng 20 năm trở lại đây, khoa học gia trên thế giới đã nhận định đúng đắn thảm nạn môi trường do thủy điện gây ra. Đó là:
1- Thủy điện đã làm đão lộn hoàn toàn hệ sinh thái của một vùng rộng lớn chung quanh hồ chứa cũng như ở thượng nguồn và hạ nguồn của đập; 2- Thủy điện làm giảm thiểu hoặc hủy diệt đa dạng sinh học của toàn vùng; 3- Hiệu quả kinh tế của thủy điện hoàn toàn bị đão ngược vì chi phí cần thiết để tái tạo lại môi trường thiên nhiên đã bị đánh mất cao hơn lợi nhuận do việc cung cấp điện năng.
Hai thí dụ điển hình minh xác qua trường hợp của hàng chuổi đập thiết lập dọc theo sông Colorado (Hoa Kỳ) và Hoàng Hà (Trung Cộng); và sau hơn vài chục năm khai thác, dòng chảy của hai con sông nầy không còn điểm đến là vịnh Mễ Tây Cơ và biển Trung Ha nữa. Ở Việt Nam, dù mới khai thác đập thủy điện trong khoảng hơn 10 năm nay, nhưng nhiều tác hại đã xảy ra như trường hợp đập Yali đã làm ngập lụt một thành phố ở Cambodia năm 2000 sau khi được khai thác vào năm thứ hai mà thôi.
Tuy nhiên đối với các nước đang phát triển ở Á Câu như Trung Cộng, Thái Lan, Lào, Việt Nam, việc thiết lập các đập thủy điện mới để giải quyết nhu cầu điện năng cho quốc gia trong hiện tại là một việc làm thiếu một tầm nhìn nghiêm chỉnh cho tương lai. Họ không rút tỉa được kinh nghiệm của các quốc gia Tây phương đang trên đà phá vỡ các đập đã xây dựng ngõ hầu tái tạo hệ sinh thái của vùng, đồng thời cũng không học hỏi kinh nghiệm về các tác hại môi trường vì không nghiên cứu tác động môi trường trong kế hoạch thiết lập đập.
Đối với nguồn năng lượng do nguyên tử năng, mức an toàn trong vận hành vẫn là một dấu hỏi lớn và tác hại đến nhân sự và môi trường trong trường hợp tai nạn xảy ra đã làm cho nhiều quốc gia do dự khi quyết định xây dựng thêm nhà máy.. Thêm nữa năng lượng nầy thải hồi nhiều thán khí (carbon dioxide) ảnh hưởng đến tầng ozone của bầu khí quyển và nhất là phế thải nguyên tử vẫn còn là một nan đề chưa giải quyết được của nhân loại.
Trong nhóm nầy chỉ còn lại năng lượng đến từ gió và ánh sáng mặt trời là tương đối an toàn cho chúng ta. Ngoài ra, trong cuộc chiến đấu cho sinh tồn của nhân loại cần phải kể thêm ngoài năng lượng gió, còn có việc truy tìm nguồn thay thế cho dầu khí, đó là nguồn hóa chất methanol, ethanol và các chất phế thải gia cư và kỹ nghệ.
Đó là các nguồn năng lượng sạch vừa giải quyết và thay thế các nguồn năng lượng thiên nhiên sắp bị cạn kiệt, và nhất là bảo vệ môi trường thiên nhiên đồng thời giải quyết một phần nào ô nhiễm môi trường do con người tạo ra.
Vào ngày 7/12/04, Viện Năng Lượng và Ngân hàng Phát Triển Á Châu vừa tổ chức một hội thảo quốc tế tại Hà Nội về phát triển năng lượng tái tạo và làm giảm thiểu thải hồi khí nhà kính cùng hạn chế sự hâm nóng toàn cầu. Chính hai nguyên nhân vừa kể là trọng tâm của tất cả những cuộc nghiên cứu về tình trạng khan hiếm nguồn nguyên liệu dầu thô trên thế giới.
Hiện tại, con người tùy thuộc vào các nguồn tài nguyên thiên nhiên như than đá, dầu hỏa và các khí đốt để tạo ra năng lượng. Các loại năng lượng vừa kể trên ảnh hưởng rất nhiều lên hiệu ứng nhà kính và hiện tượng hâm nóng toàn cầu. Do đó, gần 30 năm qua, con người cố gắng truy tìm những nguồn năng lượng khác trong đó nguyên liêu được xử dụng là những nguồn năng lượng thiên nhiên như gió, ánh sáng mặt trời, thủy triều và sóng biển v.v....Ngoài ra phế thải từ các sản xuất kỹ nghệ, phế thải gia cư, thậm chí đến phế thải của người và thú vật cũng có thể biến cải thành năng lượng được. Và các loại năng lượng vừa kể trên có tên chung là năng lượng tái tạo.
Ngoài ra nguồn năng lượng sinh khối (biomass) cũng là một nguồn năng lượng tái tạo quan trọng xử dụng từ các chất hữu cơ trong cây cỏ, bãi rác, phó sản hữu cơ trong công nghiệp, thậm chí đến khí thải methane từ các bãi rác.
Những nguồn năng lượng vừ kể trên khá phức tạp và cũng khá quan trọng, và sẽ là một trong những nguồn năng lượng chính trong tương lai. Chúng sẽ thay thế các nguồn tài nguyên thiên nhiên trong việc sản xuất năng lượng nhất là điện năng. Có ba lợi điểm tăng cường thêm tầm quan trọng của nguồn năng lượng nầy là:
Về môi trường: Công nghiệp cho các loại năng lượng tái tạo là công nghiệp sạch và nguyên liệu xử dụng hoặc đã có sẳn trong thiên nhiên và không tạo ra ô nhiễm như mặt trời, gió, sóng biển v.v...; hoặc là những phó phẩm hay phế thải từ các công nghệ khác thay vì cần phải xử lý, nay được xử dụng lại, do đó, công nghệ tái tạo nầy đương nhiên tiếp tay vào việc giải quyết ô nhiễm môi trường;
Về tương lai: Đây là một loại năng lượng dành cho các thế hệ cháu, chắc của chúng ta vì nguồn nguyên liệu không bao giờ bị cạn kiệt;
Về an ninh quốc gia: Vì không còn tùy thuộc vào các nguồn nguyên liệu cổ điển, đối với một quốc gia, một khi đã đẩy mạnh công nghiệp năng lượng tái tạo, thì mức an ninh quốc phòng được bảo đảm thêm vì không còn tùy thuộc vào lượng năng lượng cần phải nhập cảng từ các quốc gia khác.. Và trong tương lai, sẽ không có những cuộc khủng hoảng năng lượng trên thế giới như đã xảy ra vào thập niên 70.
Song hành với việc truy tìm những nguồn năng lượng sạch và năng lượng tái tạo, nhân loại cần phải nâng cao hiệu năng trong vịêc xử dụng các loại năng lượng nầy. Chính việc nầy cũng là một việc làm cần thiết trước nguy cơ của sự hâm nóng toàn cầu. Và đây cũng là một yếu tố quan trọng trong sự phát triển quốc gia. Từ năm 1970 đến 2000, mức xử dụng năng lượng ở Hoa Kỳ đã tăng 45%, trong lúc đó tổng sản lượng quốc gia tăng 160%. Hay nói một cách khác, lượng năng lượng dùng cho một Mỹ Kim giảm 44% từ năm 70 đến 90. Hay cũng có thể nói, nền kinh tế quốc gia Hoa Kỳ đã dùng ít năng lượng hơn để phát triển và giảm thiểu ô nhiễm.
Có nhiều loại năng lượng tái tạo điển hình như: Năng lượng sinh khối (biomass) hay còn gọi là năng lượng vi sinh (biogas), năng lượng địa nhiệt (geothermal energy), năng lượng hydro, và năng lượng đại dương, năng lượng gió, năng lượng mặt trời, v.v… Về năng lượng sinh khối, đây là một loại năng lượng tái tạo đặc biệt vì loại năng lượng nầy có thể sản xuất trực tiếp ra khí đốt, xăng dầu cho các hệ thống giao thông như xe cộ, xe lưả, thậm chí nguyên liệu cho máy bay. Có hai loại năng lượng sinh khối là rượu ethanol và dầu diesel sinh học (biodiesel). Ethanol hay rượu cồn là do sự lên men của các loại chứa carbohydrat cao như tinh bột, đường và các sợi cellulose thực vật. Ethanol là hóa chất cần thiết để pha trộn vào xăng chạy xe để làm giảm thiểu lượng carbon monoxide (CO) thải hồi vào không khí. Hiện tại lượng rượu có thể trộn lẫn vào xăng lên đến 85% thể tích. Còn diesel sinh học là do sự pha trộn giữa rượu và dầu thực vật hay động vật. Hổn hợp nầy có thể làm giảm 20% khí CO so với việc xử dụng diesel cổ điển.
Quá trình chuyển đổi từ năng lượng sinh khối qua địên năng gồm 2 quy trình khác nhau như:
Đốt trực tiếp, biến thành khí đốt, qua sự tiêu hóa yếm khí (anaerobic digestion); Sự khử nước, sự đốt cùng với một nguyên liệu khác (co-firing).
Tuy nhiên hầu hết các nhà máy điện từ biomass trên thế giới đều áp dụng phương pháp đốt trực tiếp. Còn năng lương sinh khối từ các phế thải động vật sản xuất ra hơi nóng sau khi đốt và hơi nóng sẽ chạy qua một turbine và máy phát điện để biến cải thành điện năng.
Còn năng lượng từ sức nóng của địa cầu hay địa nhiệt đã được nghiên cứu qua nhiều công nghệ khai triển loại năng lượng nầy để biến thành điện năng, hoặc dùng để sưởi nóng các quy trình công nghệ cần nhiệt độ cao. Đây cũng là một loại năng lượng tái tạo từ thiên nhiên. Hoa Kỳ đang thử nghiệm loại năng lượng nầy ở Nevada, và đã có nhiều kết quả rất khích lệ.
Năng lượng hydrogen đã được chú ý như sau: Hydrogen là một nguyên tố chiếm tỷ lệ cao nhất so với tất cả các nguyên tố khác trên địa cầu. Nhưng hydrogen không hiện diện dưới dạng nguyên tử hay phân tử mà dưới dạng hợp chất với các nguyên tố khác như nước gồm có hai hydrogen và một oxygen. Do đó một khi hydrogen được tách rời, sẽ biến thành một nguồn cung cấp nhiệt năng rất lớn và là một loại năng lượng sạch.
Hydrogen có thể tách rời qua sự điện giải nước (H2O). Trong thiên nhiên, một số rong rêu và vi khuẩn, qua sự tiếp hợp của ánh sáng mặt trời có thể phóng thích ra hydrogen. Đây là một loại năng lượng không làm ô nhiễm không khí. Cơ quan quốc gia Nghiên cứu không gian Hoa kỳ từ năm 1970 đã xử dụng hydrogen làm nguyên liệu chính cho các hỏa tiển chuyên chở các tàu vũ trụ vào không gian.
Sau cùng, đại dương cũng là một loại năng lượng tái lập và có thể sản xuất ra hai loại năng lượng: nhiệt năng từ sức nóng của mặt trời, và cơ năng từ thủy triều và sóng biển. Đại dương bao bọc hơn 70% diện tích địa cầu, do đó đây là một nguồn tiếp nhận ánh sáng mặt trời quan trọng nhất. Sức nóng của mặt trời làm ấm nước mặt của đại dương, và độ ấm nầy cao gấp nhiều lần hơn độ ấm của dòng nước biển dưới sâu. Sự khác biệt nhiệt độ giữa hai luồng nước biển nầy sẽ tạo ra nhiệt năng. Từ đó nhiệt năng có được sẽ biến cải thành điện năng theo ba công nghệ khác nhau: công nghệ chu kỳ kín, công nghệ chu kỳ hở, và công nghệ hổn hợp. Nguyên lý của chu kỳ kín là làm bốc hơi nước biển ở nhiệt độ thấp qua sự hiện diện của ammoniac. Còn chu kỳ hở là làm nước biển bốc hơi dưới áp suất thấp. Chu kỳ hổn hợp là sự phối hợp của hai phương pháp trên. Hơi nước biển sẽ đi qua một turbine và biến thành điện năng.
Về loại năng lượng thủy triều và sóng biển, Hoa Kỳ đã chọn một địa điểm ở Rhode Island là Port Judith làm thí điểm thử nghiệm với chi phí là 1 triệu Mỹ kim. Thí điểm nầy dự trù cung cấp 700 KW khi bắt đầu hoạt động vào năm 2006.
Đứng trước những dự kiến về một cuộc khủng hoãng năng lượng trong tương lai, các quốc gia trên thế giới đang chạy đua với thời gian để truy tìm những loại năng lượng tái tạo mới, hầu thỏa mản tiến trình toàn cầu hóa qua Nghị định thư Kyoto 1997 về ô nhiễm không khí và hiệu ứng nhà kính. Anh Quốc đã dự kiến đầu tư 100 triệu Mỹ kim cho nghiên cứu năng lượng đại dương và hy vọng loại năng lượng nầy có thể cung ứng 10% tổng số năng lượng xử dụng cho toàn quốc trong năm 2010, và lên đến 15% cho năm 2015.
Có thể đây là một dự phóng tương lai rất tiến bộ về năng lượng của Anh Quốc chăng? Câu trả lời có thể được giải đáp trong vài năm nữa khi các dữ kiện khoa học được thu thập đầy đủ. Và nếu dự phóng nầy thành công thì nhân loại đã thực hiện được một cuộc cách mạng lớn về năng lượng cho toàn cầu.
Kết luận
Trên đây là những suy nghĩ đã được khơi mào để đóng góp vào: 1- Việc hạn chế hiệu ứng lồng kín, và sự hâm nóng toàn cầu theo tinh thần của Nghị Định Thư Kyoto 1997; 2- Giải quyết ô nhiễm môi trường do việc gia tăng dân số và phát triển xã hội của các quốc gia trên thế giới; 3- Và nhất là để bổ túc vào sự thiếu hụt năng lượng trên thế giới trong tương lai khi các nguồn năng lượng trong thiên nhiên sắp bị cạn kiệt.
Các quốc gia trên thế giới hiện đang đứng trước 3 vấn nạn chính: - Nhu cầu năng lượng để phát triển kinh tề và cân bằng mức gia tăng dân số; - Nhu cầu gia tăng phúc lợi của người dân; -Và nhu cần giải quyết ô nhiễm môi trường qua việc gia tăng phát triển.
Đối với các quốc gia có trình độ phát triển và kỹ thuật cao, ba nhu cầu trên đã được giải quyết và họ đang đi dần đến những công nghệ “sạch” trong phát triển cộng thêm viễn kiến lớn hướng về tương lai để thay thế một số nguồn năng lượng không còn thích hợp trong việc bảo vệ môi trường.
Đối với các quốc gia đang phát triển trong đó có Việt Nam, hiện đang phải tập trung vào nhu cầu đầu tiên, nghĩa là cần phải gia tăng phát triển để vứa giải quyết việc gia tăng dân số vừa cố gắng thâu ngắn cách biệt giàu nghèo so với các nước đã phát triển, do đó họ không có điều kiện hay không cố gắng tạo điều kiện để thực hiện hai nhu cầu sau. Vì lý do đó, triển vọng hội nhập vào cuộc chơi toàn cầu hóa của thế giới vẫn còn xa vời. Và vô hình chung, chính họ đã hướng dẫn đất nước họ vào con đường bế tắc do việc phát triển không đồng bộ, vô tổ chức, thiếu kế hoạch đúng đắn và dài hạn gây ra, trong đó việc xem thường công cuộc bảo vệ môi trường là một trong những nguyên nhân chính yếu.
Tương lai của mỗi quốc gia đều nằm trong tầm tay của những người nắm quyền bính, và chỉ có họ với tầm nhìn xa mới có khả năng đưa đất nước cất cánh đi lên. Xin đừng ù lì dậm chân tại chỗ, thụ động mong chờ viện trợ đến từ bên ngoài, cũng như tận tình hủy hoại đất nước như đã xảy trong quá khứ và hiện tại.
http://www.vietnamreview.com/modules.php?name=News&file=article&sid=7188
Friday, January 4, 2008
TP HCM giới thiệu xe hơi chạy bằng không khí
TP HCM giới thiệu xe hơi chạy bằng không khí - 28/12/2007 10h:28
Xe hơi chạy bằng... không khí! Loại xe công nghệ mới này đã được giới thiệu tại Sở Khoa học - Công nghệ TP.HCM vào ngày 27/12. Với 150 - 200 lít không khí, xe có thể chạy được 133km, vận tốc 60km/giờ.
Ngày 27/12, một cuộc họp giới thiệu công nghệ khí nén (compressed air technology system – CAT) ứng dụng trong máy xe hơi đã được tổ chức tại TP.HCM. Ba thành phần tham gia là đại diện Sở Khoa học – Công nghệ (KH-CN) TP.HCM, Tổng Công ty Cơ khí Vận tải Giao thông (SAMCO) và TS Lê Sinh – Việt kiều Pháp.
Xe chạy bằng không khí
TS Lê Sinh năm nay 65 tuổi. Ông đã sang Nhật vào năm 1965. Năm 1968, ông sang Pháp lấy bằng tiến sĩ ngành Địa chất và định cư tại đó. Trong một cơ duyên, ông đã tiếp cận được với công nghệ khí nén này và quen biết với người đã phát minh ra nó.
TS. Lê Sinh bên chiếc xe ô tô chạy bằng không khí nén của hãng MDI. (Ảnh: Tư liệu)
Quá say mê công nghệ mới, đồng thời trước tình trạng giá xăng dầu đang tăng trong khi cả thế giới đang báo động về tình trạng ô nhiễm, TS Lê Sinh đã theo đuổi và tìm mọi cách để giới thiệu công nghệ mới này về Việt Nam. Ông cho biết, công nghệ khí nén ứng dụng trong xe hơi là phát minh của Paul Durand. Paul Durand là kỹ sư chuyên về mô tơ dành cho xe đua của hãng Renault.
“Khác với các loại xe thông thường, tất cả xe đua sử dụng không khí nén để đẩy không khí vào xilanh với áp suất cao. Xăng cũng được đẩy vào xilanh theo phương cách này. Paul Durand phát hiện ra trong nhiều trường hợp, xe đua dù hết xăng nhưng vẫn có thể chạy được. Không khí được đẩy dưới áp suất mạnh nên có thể thay nhiên liệu đốt", TS Sinh nói.
Từ đó, Paul Durand đã nghiên cứu một loại mô tơ chỉ sử dụng không khí. 10 năm, phát minh ra đời. Hiện nay, Paul Durand là Giám đốc Công ty Moteur Development International - MDI, nơi quản lý bản quyền loại mô tơ ứng dụng công nghệ không khí nén này.
Hiện nay, các loại xe MDI đang sử dụng các mô tơ thuộc sê ri 34. Đây là mô tơ có 4 xi lanh, 800 phân khối, 25 mã lực với vòng quay 4.000 lần/phút. Trọng lượng của mô tơ nặng 28kg.
Bình chứa không khí nén được chế tạo dựa trên một công nghệ đặc biệt. Đó là công nghệ chế tạo các bình chứa oxy lỏng hay kinh khí lỏng dùng trong phi thuyền không gian. Người ta đã chế tạo một loại bình nhựa có quấn sợi cacbon. Do đó bình sẽ không phát nổ. Khi không chịu nổi áp lực, các sợi cacbon sẽ giãn ra nên bình chỉ chịu tình trạng xì không khí.
Mô tơ được nối với một động cơ điện 5kW. Động cơ này được dùng để quay mô tơ khi sử dụng mô tơ với chức năng máy nén khí cao áp. Ngoài ra động cơ điện còn đóng vai trò như máy đề, máy sạc bình, phanh điện, và hỗ trợ năng lượng (khi xe leo dốc chẳng hạn).
Một chiếc ô tô MDI 4 chỗ, hay còn gọi là CityCat, thường có độ dài từ 3,84 - 3,9m, rộng 1,72m và cao 1,75m. Mỗi xe được trang bị 3 bình không khí nén, với 100lit/bình. Mô tơ sẽ có nhiệm vụ đẩy hai bánh sau. Còn 2 bánh trước có nhiệm vụ lái.
Ngoại trừ các cửa kính, sườn xe làm bằng hợp kim nhôm, cứng chắc, nhẹ, không sét rỉ. Vỏ xe (mui, cửa...) làm bằng composite hai mặt đặc biệt, lõi xốp (bằng sáng chế công nghệ MDI). Xe còn trang bị 4 thắng dĩa. Mọi điều khiển nằm trên tay lái. Và hệ thống điện 1 dây.
Sơ đồ bố trí trong một chiếc xe taxi sử dụng công nghệ không khí nén. (Ảnh: TS. Lê Sinh)
“Không khí liên tục được đẩy vào xilanh, nên không khí nén bị giãn ra và hấp thu nhiệt. Do đó, càng chạy, máy càng lạnh. Tuy đối với các nước ôn đới, điều này không được hoan nghênh, nhưng ở các nước nhiệt đới như Việt Nam, đây là một điều kiện rất thuận lợi. Chúng ta không cần sử dụng năng lượng để làm lạnh không khí trong xe”, TS Lê Sinh trình bày.
Bên cạnh đó, khác với xe chạy bằng điện không phát ra tiếng ồn, xe chạy bằng không khí sẽ phát ra những tiếng động như tiếng "xì" do không khí chuyển động trong xi-lanh. Đây là một yếu tố an toàn dành cho người đi đường và các phương tiện di chuyển khác.
Quan trọng là nguồn động lực
TS Lê Sinh cho biết, MDI chỉ bán bản quyền công nghệ và một nhà máy sản xuất ô tô trọn gói hết 9,5 triệu euro. Trong đó, bản quyền công nghệ là 6 triệu euro.
Mới đây, hồi tháng 7/2007, một công ty sản xuất ô tô Ấn Độ, Tata, đã ký hợp đồng mua bản quyền tất cả các loại mô tơ dành cho các loại xe hiện có và sắp tới với giá là 100 triệu euro. Công ty này dự tính sẽ sản xuất và bán xe với giá 3.500 USD.
Hiện nay, ở các nhà máy sản xuất ô tô bình thường, một xe ô tô hoàn chỉnh mất từ 1 - 2 phút. Còn loại xe công nghệ khí nén cần 30 phút. Do đó, với 10 giờ/ngày người ta chỉ sản xuất được khoảng 20 xe. TS Sinh tính toán, nếu lợi nhuận ước tính là 1.000 USD/xe. Một năm công suất nhà máy sản xuất khoảng 5.000 xe thì sau 3 năm doanh nghiệp có thể thu hồi lại vốn.
Ông Trần Quốc Toản - Phó Tổng Giám đốc SAMCO, cho rằng không thể tính toán lợi nhuận như thế được. Vì một năm sản xuất được 5.000 xe nhưng có thể chỉ bán được 100 xe.
Theo ông Toản, Việt Nam hiện đang phát triển, cơ sở hạ tầng còn kém, phụ thuộc rất nhiều vào sự điều chỉnh của Nhà nước. Do đó, cần có một đề tài nghiên cứu tính khả thi của công nghệ ô tô sử dụng không khí nén này. Qua đó tìm đầu ra của thị trường và cung cấp thông tin cho các doanh nghiệp.
TS Lê Sinh cho biết, công nghệ này không chỉ áp dụng cho ô tô mà còn có thể áp dụng trong nhiều lĩnh vực khác như: máy bơm nước, sản xuất xe máy... Do đó, đầu ra không chỉ là ô tô.
Còn PGS,TS Lê Hoài Quốc, Phó Giám đốc Sở KH-CN TP.HCM, nói rằng không phải tự nhiên châu Âu đưa ra tiêu chuẩn môi trường cao, kiểm soát khí thải từ các loại xe rất khắt khe. Công nghệ không khí nén là một nguồn động lực mới mà triển vọng ứng dụng rất cao. Do đó, ông hứa nếu TS. Lê Sinh cần gì, Sở KH-CN TP.HCM sẵn sàng hỗ trợ trong khả năng của mình.
Trước mắt, ông Lê Hoài Quốc gợi ý có thể tổ chức một hội thảo chuyên đề. Trong đó, thành phần tham dự sẽ là các nhà quản lý, các nhà khoa học, các trường ĐH, viện... để tìm hiểu sâu hơn về công nghệ này.
Một đại diện khác của Sở KH-CN TP.HCM nói, hiện nay ở Pháp đã cho phép lưu hành loại xe này, nên đề nghị TS. Lê Sinh tìm giúp các tiêu chuẩn để xe có thể lưu hành trên thị trường Việt Nam. Ông cho biết, trước đây xe chạy bằng gas ban đầu lưu hành trên thị trường cũng gặp nhiều khó khăn về mặt tiêu chuẩn. Hiện nay, cơ chế quản lý của Việt Nam vẫn chưa mở, nên chưa có quy định nào dành cho các loại xe thuộc công nghệ mới như thế.
Do đó, thời gian để ô tô áp dụng công nghệ không khí nén được sản xuất và lưu hành ở Việt Nam phải tính theo năm, chứ không thể nhanh hơn được.
http://www.khoahoc.com.vn/view.asp?Cat_ID=10&Cat_Sub_ID=0&news_id=18775
Subscribe to:
Posts (Atom)
