Một tấm thảm đáy biển tổng hợp bắt chước tác dụng hãm sóng của một đáy biểu đầy bùn có thể dùng để khai thác năng lượng từ những con sóng đi qua phía trên nó, đó là theo một kĩ sư ở Mĩ. Vừa mang lại một phương pháp mới sản xuất điện năng sạch và rẻ tiền, tấm thảm này – cho đến nay chưa được chế tạo – còn có thể dùng để bảo vệ những khu vực duyên hải chống lại những con sóng mạnh và mang lại những khu vực neo đậu an toàn cho thuyền bè ở những vùng biển thường xuyên có bão.
Khả năng hãm sóng đại dương của đáy biển đầy bùn đã được lập tư liệu kĩ càng ở những địa điểm khác nhau trên khắp thế giới. Ở Vịnh Mexico, dân đánh cá đã biết lái tàu thuyền của họ vào một khu vực bùn lầy cục bộ gọi là “lỗ bùn” khi có mưa bão hoành hành. Tại đây, tương tác sóng-bùn mạnh đến mức những con sóng bão bị tắt trong cự li hai lần bước sóng (100 – 200 m) và tàu bè hoàn toàn an toàn.
Liệu tấm thảm đáy biển của Mohammad-Reza Alam có mang bờ biển đến gần bạn hay không? (Ảnh: iStockphoto/lleerogers)
Lò xo và máy phát
“Nếu bùn lầy có thể lấy nhiều năng lượng ra khỏi những con sóng đại dương như vậy, vậy tại sao chúng ta không sử dụng ý tưởng này để thiết kế ra một bộ biến đổi năng lượng sóng rất hiệu quả?”, nhà phát minh của tấm thảm đáy biển, Mohammad-Reza Alam thuộc trường Đại học California, Berkeley, nêu vấn đề. Ông đi tới ý tưởng sử dụng một tấm thảm biến đổi năng lượng sóng ma sát nhớt (CWEC) đặt trên một mạng lưới gồm những lò xo và máy phát định hướng thẳng đứng trên đáy biển ven bờ. Tấm thảm dẻo phản ứng giống hệt như bùn: khi những con sóng đi qua phía trên đầu, chúng gây ra những gợn động lực học và những nhấp nhô trên bề mặt co giãn của chúng, và những nhiễu loạn này có thể dùng để phát ra điện.
Lập mô phỏng sự tương tác của sóng đại dương với tấm thảm đã đề xuất, Alam có thể chứng minh rằng hệ có thể dễ dàng hấp thụ 50% năng lượng sóng tới trên khoảng cách ngắn khoảng 10 m. Đối với những con sóng tiêu biểu ở Biển Bắc, mô phỏng cho thấy tỉ lệ hấp thụ năng lượng là 6.5 kW m–2, cao gấp đôi giá trị tối đa tỉ lệ làm việc của tua bin gió và lớn gấp ít nhất 20 lần các bộ biến đổi năng lượng mặt trời hiện nay.
Sóng càng ngắn càng tốt
Toàn bộ chuyển động trên đại dương là sự kết hợp của sóng dài và sóng ngắn. Người ta đã biết từ lâu nay rằng sóng ngắn đi cùng với biển động bị tắt nhanh hơn sóng dài vươn xa vì nhiều lí do, nhưng chỉ gần đây thì những quan sát bất ngờ mới cho thấy sóng ngắn thật ra còn tốt hơn sóng dài ở chỗ truyền năng lượng của chúng cho đáy biển nhiều bùn ở những vùng nước nông.
Alam đã phát triển một mô phỏng máy tính xét đến hàng trăm con sóng và tương tác sóng khác nhau. Ông tìm thấy rằng các điều kiện hãm sóng là mạnh – như trường hợp đáy biển nhiều bùn – thì một lượng năng lượng đáng kể bị biến đổi từ sóng “mode mặt” (nơi sóng dài bị tắt nhanh hơn) sang sóng “mode đáy” (nơi sóng ngắn tắt nhanh hơn và truyền nhiều năng lượng hơn cho đáy biển). “Nếu sự tắt dần là mạnh thì sự hấp thụ năng lượng toàn phần từ đại dương còn mạnh hơn,” ông giải thích.
Hoạt động tốt hơn trong giông bão
Alam tin rằng CWEC có một số ưu điểm nổi bật so với những kĩ thuật khai thác sóng hiện nay. Xuất sắc nhất trong số chúng là thực tế không những thiết bị chống lại giông bão, mà nó thật sự hoạt động tốt hơn trong giông bão. Những phương pháp hiện nay sử dụng những dụng cụ neo trôi nổi hoặc những cấu trúc kiểu con trai nhờ đáy biển bảo vệ với những khớp nối dễ bị hỏng. Khi sóng trở nên quá mạnh, những dụng cụ này được thiết kế để đi vào một mode tạm nghỉ bảo vệ, thường là bị hút xuống bên dưới mặt nước.
Bản chất phẳng và cố định của CWEC có nghĩa là những vấn đề này được khắc phục gọn và nó có thể tiếp tục khai thác năng lượng khi giông bão tràn qua. Không những thế, khi những thành phần phi tuyến của tương tác sóng – cái tăng lên ở những vùng biển có bão – được đưa vào mô phỏng, thì hiệu quả của dụng cụ tăng lên. Dụng cụ còn có băng thông rộng hơn đa số các bộ trích xuất năng lượng sóng khác, và có thể khai thác bất kì loại sóng nào đến từ bất kì phương nào.
Nhược điểm của CWEC là hiệu suất của nó giảm theo độ sâu, nghĩa là nó chỉ sử dụng thích hợp ở những vùng sóng vỗ sâu khoảng 20 m.
Quen thuộc với dân đi biển
Một tấm thảm dìm hoàn toàn dưới nước sẽ thân thiện với dân biển và các nhà bảo vệ môi trường hơn so với các dụng cụ truyền thống, chúng vốn có nguy cơ va nhau với tàu thuyền và gây cản trở cho động vật sống dưới nước. Tác dụng khai thác năng lượng cũng có thể đưa vào sử dụng tốt để bảo vệ những đường bờ biển dễ bị tổn hại, che chắn cho cảng biển hoặc bảo vệ những cấu trúc nằm gần bờ biển.
“Thật là một ý tưởng hay nhưng vẫn còn những trở ngại thực tế ví dụ như chi phí lắp đặt và bảo dưỡng, sự tác động lên sự sống đại dương [dưới sâu], và tác động của thủy triều đối với hiệu quả của thiết bị,” bình luận của Dominic Reeve thuộc trường Đại học Swansea ở Anh, thành viên dự án Wave Hub – một cơ sở thử nghiệm quy mô lớn nghiên cứu các công nghệ khai thác sóng mới ở ngoài khơi tây nam nước Anh. “Nếu gần đó có trầm tích di động, thì tấm thảm này có thể ảnh hưởng đến sự vận động trầm tích – hoặc gây hại cho chính nó, hoặc gây hại cho những khu vực lân cận.”
Alam đồng ý rằng vấn đề trầm tích chắc chắn là một trong những cái mà các kĩ sư phải đối mặt nếu như CWEC được chế tạo và thử nghiệm trên thực tế. Ông đề xuất rằng có lẽ dụng cụ nên triển khai ở những vùng bờ biển có thềm đá.
Công trình công bố trên tạp chí Proceedings of the Royal Society A.
Hoài Ân – thuvienvatly.com
Nguồn: physicsworld.com
