Trong tương lai không xa, điện học không dây có thể thay thế hết các tuyến cáp cấp điện hiện có mặt khắp nơi. Trong bài, Aristeidis Karalis bàn về một phương pháp mới mang tính cách mạng của việc truyền tải điện không cần dây dẫn.
Vị thẩm phán lái xe về muộn trong một đêm mùa đông lạnh giá. Vừa vào ga ra, đèn báo sạc điện trên chiếc xe hơi điện cấp nguồn không dây của ông bật sáng. “Cuối cùng đã tới nhà rồi”, ý nghĩ lóe lên trong đầu ông. Ông giơ chiếc thẻ thông minh chứa thông tin cá nhân của ông lên trước detector cửa trước để đi vào trong. Ông nghe một tiếng bíp “tích điện” phát ra từ chiếc điện thoại di động của mình. Con trỏ chuột nhấp nháy trên bức e-mail mới hoàn thành một nửa trên cái laptop đã đợi suốt cả ngày ở trên bàn. Ông cầm chiếc máy tính lên và tiến về phía bàn làm việc. “Chào buổi tối, ông chủ. Cái áo khoác của ngài nóng rồi đấy”, con rô-bôt quản gia từ trong bếp vọng gia nhắc nhở ông. Cởi bộ quần áo điện ra, ông ngồi vào chiếc ghế bành y tế. Trái tim nhân tạo của ông giờ đang đập nhanh lên.
Mọi thứ bắt đầu cách nay vài năm trước khi Marin Soljačić, một nhà vật lí tại Viện Công nghệ Massachusetts (MIT) ở Mĩ, đang lái xe về nhà trong một đêm mùa đông lạnh giá và ông nghe thấy một tiếng bip khó chịu phát ra từ chiếc điện thoại di động của ông. Đó là một báo hiệu bực bội rằng pin điện thoại lại đang cạn rồi. Rồi ý tưởng đột ngột đến với Soljačić là nếu chiếc điện thoại có thể tự quản lí việc tích điện của nó thì điều đó thật tốt biết mấy. Sáng hôm sau, ông trở lại phòng làm việc của mình tại MIT, quyết định đi tìm lời giải cho bài toán. Tìm kĩ lưỡng trong sách vở sẽ thấy ngay rằng sự truyền điện không dây không phải là một ý tưởng gì mới mẻ. Ngược về những năm 1890, Nikola Tesla, một trong những nhà tiên phong vĩ đại của điện từ học, là người đầu tiên dự tính rằng điện năng, khi ấy là một dạng năng lượng mới tìm ra, sẽ được phân phối đến mọi nhà, trong mọi thành phố, ở mọi quốc gia trên khắp hành tinh. Tuy nhiên, Tesla không nhìn thấy trước rằng người ta sẽ sẵn sàng kéo dây đi khắp địa cầu để sử dụng điện. Thay vào đó, ông mơ đến một phương thức truyền tải điện năng không dây trên những cự li dài. Điều này có thể thu được bằng cách sử dụng những bộ cộng hưởng điện từ kép to lớn có khả năng phát ra những điện trường rất lớn, nghĩa là có khả năng truyền đi hoặc qua sự dẫn trên tầng điện li (có lẽ có những tia lửa điện dữ dội) hoặc qua Trái đất (có lẽ qua sự ghép cặp trung gian với sự cộng hưởng điện tích của Trái đất, cái gọi là cộng hưởng Schumann). Hình ảnh tiêu biểu của những nỗ lực của Tesla nhằm đạt tới mục tiêu này là Tháp Wardenclyffe, cấu trúc cao 57 m trên đảo Long Island với mong muốn phân phối điện năng đến toàn bộ hành tinh. Việc xây dựng bị gián đoạn khoảng năm 1905, không phải vì phương pháp bị xem là không thực tiễn hoặc nguy hiểm, mà bởi vì nhà tài trợ, nhà tư bản và ông chủ nhà băng danh tiếng J P Morgan, lo ngại rằng sẽ không có cách nào tính tiền với những người dùng điện ở xa. Ngày nay, hơn một thế kỉ sau thời Tesla, điện năng đã đi tới hầu như mọi nhà qua mạng lưới điện toàn cầu. Dẫu sao, sự phản đối của J P Morgan cũng đã đặt dấu kết thúc sớm cho nỗ lực đầu tiên nhắm tới điện học không dây.
Không cần gắn dây
Ngày nay, chúng ta biết có nhiều phương pháp truyền điện mà không cần dây dẫn. Thí dụ đơn giản nhất là bức xạ điện từ, ví dụ như sóng vô tuyến. Các anten bức xạ theo mọi hướng là một trong những công nghệ được sử dụng rộng rãi nhất, chúng được tận dụng tối đa trong việc cung cấp dịch vụ Internet không dây, điện thoại di động, radio và truyền hình. Những anten này thường hoạt động ở ngưỡng tần số MHz-cao/GHz-thấp. Mặc dù những anten này hoạt động tốt và thích hợp cho sử dụng với máy thu di động, vì chúng có thể hoạt động ở mọi hướng và không cần một hướng nhìn thẳng đến máy thu, nhưng chúng rất không hiệu quả. Chỉ một phần hết sức nhỏ của năng lượng bức xạ theo hướng của máy thu thật sự được thu nhận, vì đa phần bức xạ bị thất thoát theo mọi hướng khác. Việc sử dụng anten định hướng cao, ví dụ như anten chùm vi sóng, trên nguyên tắc giải quyết được vấn đề này và thu được hiệu suất cao trong việc truyền điện cả trên những cự li dài (tức là hàng km). Mặt khác, loại anten này yêu cầu một đường nhìn không bị đứt quãng, tức là đòi hỏi một cơ chế lài chùm và theo vết dụng cụ phức tạp. Đồng thời, các chùm bức xạ tập trung điện năng cao có thể gây nguy hiểm. Một giải pháp khác cho anten là sử dụng máy biến áp cảm ứng, một dụng cụ thường sử dụng trong các mạch điện và động cơ điện (ví dụ bàn chải điện và bộ nạp điện). Máy biến áp thường hoạt động đến tần số trung-kHz. Về cơ bản, nó biến đổi điện năng từ một mạch điện này sang mạch điện khác thông qua sự cảm ứng: từ thông biến thiên theo thời gian gây ra bởi cuộn dây sơ cấp đi qua cuộn thứ cấp và cảm ứng trong nó một điện áp. Các cuộn sơ cấp và thứ cấp thường không được nối với nhau trên phương diện vật chất, vì vậy phương pháp này là không dây. Máy biến áp có thể rất hiệu quả nhưng khoảng cách giữa các cuộn dây phải rất nhỏ (thường là vài milimet). Đối với những khoảng cách bằng vài lần kích cỡ các cuộn dây, hiệu suất giảm đi đáng kể. Phần cơ sở vật lí cho đa số các phương pháp hiện có cho sự truyền tải điện không dây là nguyên lí cơ bản của sự cộng hưởng: tính chất của những hệ vật lí nhất định dao động với biên độ cực đại ở những tần số nhất định. Với bất kì loại kích thích nào (cơ, âm, điện từ, hạt nhân) có một tần số cho trước, một máy thu sẽ thu nhận năng lượng truyền tải hiệu quả chỉ khi nó được thiết kế để cộng hưởng ở tần số kích thích đó. Chỉ khi đó thì những kích thích liên tiếp sau mỗi chu kì dao động cộng gộp kết hợp cùng pha và dẫn tới sự tích góp năng lượng bên trong máy thu. Để minh họa, hãy xét 100 cốc thủy tinh chứa đầy rượu ở mức khác nhau sao cho chúng ủng hộ sự cộng hưởng âm ở những tần số khác nhau. Giờ thì hãy để một tay chơi ghita điện tạo ra và duy trì một nốt rất rõ ràng. Chỉ một trong các cốc, cái cộng hưởng với tần số của nốt này, sẽ phản ứng với kích thích, co giãn nên nó có thể thậm chí bị vỡ, trong khi phần còn lại sẽ vẫn không bị ảnh hưởng gì. Tương tự, chúng ta điều chỉnh anten điện từ của một máy radio cho cộng hưởng với tần số của đài phát mà chúng ta muốn nghe. Nhiều máy biến áp sử dụng trong mạng lưới điện và ở mọi nơi còn được thiết kế khai thác sự cộng hưởng để tăng cường sự truyền công suất.
Vị thẩm phán lái xe về muộn trong một đêm mùa đông lạnh giá. Vừa vào ga ra, đèn báo sạc điện trên chiếc xe hơi điện cấp nguồn không dây của ông bật sáng. “Cuối cùng đã tới nhà rồi”, ý nghĩ lóe lên trong đầu ông. Ông giơ chiếc thẻ thông minh chứa thông tin cá nhân của ông lên trước detector cửa trước để đi vào trong. Ông nghe một tiếng bíp “tích điện” phát ra từ chiếc điện thoại di động của mình. Con trỏ chuột nhấp nháy trên bức e-mail mới hoàn thành một nửa trên cái laptop đã đợi suốt cả ngày ở trên bàn. Ông cầm chiếc máy tính lên và tiến về phía bàn làm việc. “Chào buổi tối, ông chủ. Cái áo khoác của ngài nóng rồi đấy”, con rô-bôt quản gia từ trong bếp vọng gia nhắc nhở ông. Cởi bộ quần áo điện ra, ông ngồi vào chiếc ghế bành y tế. Trái tim nhân tạo của ông giờ đang đập nhanh lên.
Ảnh: Sheila Terry/Science Photo Library
Truyện khoa học viễn tưởng thường khai thác những khát vọng đang gặp vướng mắc của xã hội và ý nghĩa của việc đề phòng trước những phép màu công nghệ nhất định xảy ra. Một xã hội không có đường cáp điện sẽ trông thật đẹp như trong đa số truyện khoa học viễn tưởng. Thật vậy, ngày nay chúng ta đang sống trong “kỉ nguyên không dây”, trong đó không khí mà chúng ta vẫn thở có khả năng chứa nhiều thông tin hơn là oxygen. Tuy nhiên, đây cũng là thời đại mà điện thoại di động, máy hát nhạc MP3, laptop vi tính và các rô-bôt gia dụng tồn tại song song bên cạnh hệ thống dây dẫn điện kiểu cũ và pin khối. Không giống như thông tin, điện năng vẫn bị giới hạn vật lí với những thiết bị lỗi thời có ranh giới này. Việc vượt qua những cản trở này cuối cùng sẽ làm cho thế giới này thành một thế giới thật sự không dây. Khoa học ư? Vâng. Hay là viễn tưởng? Chưa chắc đâu.
Mọi thứ bắt đầu cách nay vài năm trước khi Marin Soljačić, một nhà vật lí tại Viện Công nghệ Massachusetts (MIT) ở Mĩ, đang lái xe về nhà trong một đêm mùa đông lạnh giá và ông nghe thấy một tiếng bip khó chịu phát ra từ chiếc điện thoại di động của ông. Đó là một báo hiệu bực bội rằng pin điện thoại lại đang cạn rồi. Rồi ý tưởng đột ngột đến với Soljačić là nếu chiếc điện thoại có thể tự quản lí việc tích điện của nó thì điều đó thật tốt biết mấy. Sáng hôm sau, ông trở lại phòng làm việc của mình tại MIT, quyết định đi tìm lời giải cho bài toán. Tìm kĩ lưỡng trong sách vở sẽ thấy ngay rằng sự truyền điện không dây không phải là một ý tưởng gì mới mẻ. Ngược về những năm 1890, Nikola Tesla, một trong những nhà tiên phong vĩ đại của điện từ học, là người đầu tiên dự tính rằng điện năng, khi ấy là một dạng năng lượng mới tìm ra, sẽ được phân phối đến mọi nhà, trong mọi thành phố, ở mọi quốc gia trên khắp hành tinh. Tuy nhiên, Tesla không nhìn thấy trước rằng người ta sẽ sẵn sàng kéo dây đi khắp địa cầu để sử dụng điện. Thay vào đó, ông mơ đến một phương thức truyền tải điện năng không dây trên những cự li dài. Điều này có thể thu được bằng cách sử dụng những bộ cộng hưởng điện từ kép to lớn có khả năng phát ra những điện trường rất lớn, nghĩa là có khả năng truyền đi hoặc qua sự dẫn trên tầng điện li (có lẽ có những tia lửa điện dữ dội) hoặc qua Trái đất (có lẽ qua sự ghép cặp trung gian với sự cộng hưởng điện tích của Trái đất, cái gọi là cộng hưởng Schumann). Hình ảnh tiêu biểu của những nỗ lực của Tesla nhằm đạt tới mục tiêu này là Tháp Wardenclyffe, cấu trúc cao 57 m trên đảo Long Island với mong muốn phân phối điện năng đến toàn bộ hành tinh. Việc xây dựng bị gián đoạn khoảng năm 1905, không phải vì phương pháp bị xem là không thực tiễn hoặc nguy hiểm, mà bởi vì nhà tài trợ, nhà tư bản và ông chủ nhà băng danh tiếng J P Morgan, lo ngại rằng sẽ không có cách nào tính tiền với những người dùng điện ở xa. Ngày nay, hơn một thế kỉ sau thời Tesla, điện năng đã đi tới hầu như mọi nhà qua mạng lưới điện toàn cầu. Dẫu sao, sự phản đối của J P Morgan cũng đã đặt dấu kết thúc sớm cho nỗ lực đầu tiên nhắm tới điện học không dây.
Không cần gắn dây
Ngày nay, chúng ta biết có nhiều phương pháp truyền điện mà không cần dây dẫn. Thí dụ đơn giản nhất là bức xạ điện từ, ví dụ như sóng vô tuyến. Các anten bức xạ theo mọi hướng là một trong những công nghệ được sử dụng rộng rãi nhất, chúng được tận dụng tối đa trong việc cung cấp dịch vụ Internet không dây, điện thoại di động, radio và truyền hình. Những anten này thường hoạt động ở ngưỡng tần số MHz-cao/GHz-thấp. Mặc dù những anten này hoạt động tốt và thích hợp cho sử dụng với máy thu di động, vì chúng có thể hoạt động ở mọi hướng và không cần một hướng nhìn thẳng đến máy thu, nhưng chúng rất không hiệu quả. Chỉ một phần hết sức nhỏ của năng lượng bức xạ theo hướng của máy thu thật sự được thu nhận, vì đa phần bức xạ bị thất thoát theo mọi hướng khác. Việc sử dụng anten định hướng cao, ví dụ như anten chùm vi sóng, trên nguyên tắc giải quyết được vấn đề này và thu được hiệu suất cao trong việc truyền điện cả trên những cự li dài (tức là hàng km). Mặt khác, loại anten này yêu cầu một đường nhìn không bị đứt quãng, tức là đòi hỏi một cơ chế lài chùm và theo vết dụng cụ phức tạp. Đồng thời, các chùm bức xạ tập trung điện năng cao có thể gây nguy hiểm. Một giải pháp khác cho anten là sử dụng máy biến áp cảm ứng, một dụng cụ thường sử dụng trong các mạch điện và động cơ điện (ví dụ bàn chải điện và bộ nạp điện). Máy biến áp thường hoạt động đến tần số trung-kHz. Về cơ bản, nó biến đổi điện năng từ một mạch điện này sang mạch điện khác thông qua sự cảm ứng: từ thông biến thiên theo thời gian gây ra bởi cuộn dây sơ cấp đi qua cuộn thứ cấp và cảm ứng trong nó một điện áp. Các cuộn sơ cấp và thứ cấp thường không được nối với nhau trên phương diện vật chất, vì vậy phương pháp này là không dây. Máy biến áp có thể rất hiệu quả nhưng khoảng cách giữa các cuộn dây phải rất nhỏ (thường là vài milimet). Đối với những khoảng cách bằng vài lần kích cỡ các cuộn dây, hiệu suất giảm đi đáng kể. Phần cơ sở vật lí cho đa số các phương pháp hiện có cho sự truyền tải điện không dây là nguyên lí cơ bản của sự cộng hưởng: tính chất của những hệ vật lí nhất định dao động với biên độ cực đại ở những tần số nhất định. Với bất kì loại kích thích nào (cơ, âm, điện từ, hạt nhân) có một tần số cho trước, một máy thu sẽ thu nhận năng lượng truyền tải hiệu quả chỉ khi nó được thiết kế để cộng hưởng ở tần số kích thích đó. Chỉ khi đó thì những kích thích liên tiếp sau mỗi chu kì dao động cộng gộp kết hợp cùng pha và dẫn tới sự tích góp năng lượng bên trong máy thu. Để minh họa, hãy xét 100 cốc thủy tinh chứa đầy rượu ở mức khác nhau sao cho chúng ủng hộ sự cộng hưởng âm ở những tần số khác nhau. Giờ thì hãy để một tay chơi ghita điện tạo ra và duy trì một nốt rất rõ ràng. Chỉ một trong các cốc, cái cộng hưởng với tần số của nốt này, sẽ phản ứng với kích thích, co giãn nên nó có thể thậm chí bị vỡ, trong khi phần còn lại sẽ vẫn không bị ảnh hưởng gì. Tương tự, chúng ta điều chỉnh anten điện từ của một máy radio cho cộng hưởng với tần số của đài phát mà chúng ta muốn nghe. Nhiều máy biến áp sử dụng trong mạng lưới điện và ở mọi nơi còn được thiết kế khai thác sự cộng hưởng để tăng cường sự truyền công suất.
