XU THẾ TÍCH HỢP VÀ CHUẨN HÓA
Hiện nay, nhiều nước đang chủ trương thiết kế lại hệ thống vũ khí của họ theo hướng tích hợp các thiết bị năng lượng và thiết bị truyền dẫn tín hiệu. Các loại vũ khí có kính ngắm quang học; đèn chiếu la-de, khuếch đại mục tiêu hay kính ngắm quang ảnh nhiệt; các thiết bị chiếu rọi đang ngày càng được sử dụng phổ biến... (ví dụ, súng trường Steyr F88 của Ô-xtrây-li-a được gắn thêm hộp đựng pin cung cấp năng lượng cho các thiết bị đi kèm thông qua giá xoay).
Pin mặt trời.
Tuy nhiên, tích hợp và chuẩn hóa là những vấn đề phức tạp. Bởi lẽ trên thực tế, ngay cả quân đội các nước phát triển cũng chưa có một bộ tiêu chuẩn nào được ban bố và thực thi triệt để về điện áp hoặc thiết bị kết nối trong các hệ thống trang bị cho người lính. Điều này có nghĩa là chưa có một bộ tiêu chuẩn nhất quán và ổn định cho tất cả các loại vũ khí trang bị cho người lính mang trên người trong thời gian thực thi nhiệm vụ. Mặt khác, các nhà sáng chế cũng đang cân nhắc lựa chọn giữa việc sử dụng hệ thống điện “tích hợp” hoặc “phân tán”, bởi mỗi hệ thống đều có ưu và nhược điểm riêng. Trong đó, hệ thống điện tích hợp gồm các bộ pin được gắn vào các túi năng lượng tạo thành các thiết bị điện cá nhân của người lính. Còn hệ thống điện phân tán là mỗi bộ phận của thiết bị tích điện có một bộ pin riêng và chúng được kết nối với phần còn lại của hệ thống chỉ dùng cho việc truyền dẫn số liệu.
Theo đánh giá, các hệ thống điện tích hợp sẽ giúp giảm trọng lượng phải mang vác cho người lính bằng việc sử dụng một khối pin duy nhất. Đặc điểm của hệ thống là cục pin này có thể sạc được, đồng thời cung cấp năng lượng cho nhiều thiết bị khác nhau. Các hệ thống điện tích hợp cũng tốt hơn trong việc ứng dụng công nghệ mới, như cáp phẳng và sợi điện tử. Tuy nhiên, việc sử dụng hệ thống này đòi hỏi tất cả các thiết bị phải được chuẩn hóa, có cùng hiệu điện thế hoặc các mạch điện phải biến đổi đồng nhất, trong khi đây đang là vấn đề rất khó giải quyết.
TĂNG CƯỜNG KIỂM SOÁT HIỆU QUẢ SỬ DỤNG
Theo đánh giá của giới quân sự NATO, trong quá trình sử dụng năng lượng cá nhân của binh lính NATO, dù là năng lượng được thiết kế dạng tích hợp hay phân tán thì vấn đề hiệu quả sử dụng vẫn phải được đặt lên hàng đầu. Hiện nay, việc kiểm soát sử dụng năng lượng của người lính được thực hiện thông qua việc tắt và mở các thiết bị. Do đó, các hệ thống kiểm soát năng lượng tự động và linh hoạt sẽ giúp giảm tải việc tắt mở này, đồng thời góp phần nâng cao tuổi thọ của pin.
Bên cạnh đó, việc tăng cường sử dụng hiệu quả nguồn năng lượng cũng gián tiếp góp phần làm giảm nhẹ trọng lượng của thiết bị cung cấp năng lượng mà người lính phải mang theo trong quá trình tác chiến. Theo khảo sát của Phòng Thí nghiệm Công nghệ và Khoa học - Bộ Quốc phòng Anh (DSTL), trong Quân đội Anh có 48% binh sĩ thực hiện nhiệm vụ tại các khu vực hẻo lánh phải mang theo khối lượng pin khá lớn để “bảo vệ” (máy làm nhiễu âm), với thiết bị phát sóng radio BOWMAN VHF chiếm 39% năng lượng. Phần còn lại dành cho máy phát sóng BOWMAN HF và các pin BA5590 dùng cho các mục đích chung và một loạt các pin phổ biến khác như AAA, AA, C, D… Trong đó, hầu hết các pin có trọng lượng nặng được dùng cho mục đích “bảo vệ”.
Thiết bị có khả năng sản xuất hydro và điện năng từ năng lượng mặt trời để dùng cho các thiết bị
cơ giới. Ảnh: CTV
Thực tiễn cũng cho thấy, việc kiểm soát hiệu quả hoạt động tắt/mở của pin là một phần quan trọng đối với Lục quân Anh tại Áp-ga-ni-xtan. Theo khảo sát của DSTL, những người đánh tín hiệu và những người lính mang súng trường trong một đơn vị bộ binh thực hiện nhiệm vụ tuần tra trong vòng 48 giờ tại các khu vực hẻo lánh phải mang 11kg pin và ắc quy các loại. Kết quả nghiên cứu của DSTL cho thấy, trung bình mỗi nhiệm vụ tuần tra tại khu vực hẻo lánh cần 4kg pin (khi thực hiện nhiệm vụ tại đô thị cần 10kg pin). Những người lính mang súng trường và lính điện đài phải mang khối lượng pin nhiều nhất, trong khi những người làm nhiệm vụ quân y, đơn vị súng cối, súng máy lại mang khối lượng pin khá nhẹ (chỉ khoảng dưới 0,5kg), nhưng họ cũng phải mang các trang bị vũ khí, khí tài nặng khác.
Để giải quyết vấn đề này, các nhà công nghệ Anh đã chế tạo một thiết bị nhằm hút hết các phần năng lượng còn lại từ những cục pin (không sạc được) sắp hết (nhiều cục pin có thể báo hết khi còn khoảng 10 - 20% năng lượng). Bộ sạc di động cho binh sĩ (SPC) cũng có thể hút được nguồn năng lượng này. Thiết bị này tương thích với Hệ thống tích hợp binh sĩ (ISSE) của Quân đội Anh (do Công ty Hệ thống năng lượng ABSL chế tạo). SPC có thể hút tích năng lượng từ rất nhiều nguồn khác nhau mà người lính đang mang theo; đồng thời, nó có thể kết nối với pin hoặc ắc quy của bất kỳ phương tiện nào và truyền năng lượng tích tụ được đến các thiết bị có thể sạc được (như loại pin LIPS 10 Lithi đang được sử dụng rộng rãi). Mặt khác, có thể kết nối SPC với một mảng pin mặt trời và chuyển nó thành một thiết bị sạc pin…
TĂNG KHẢ NĂNG LƯU TRỮ NĂNG LƯỢNG CỦA PIN
Để tăng khả năng cung cấp năng lượng cho cá nhân, đồng thời đảm bảo hạn chế trọng lượng thiết bị năng lượng cần mang theo, giới sáng chế công nghệ và năng lượng dùng trong quân sự đang thúc đẩy nghiên cứu phát triển theo các hướng: Tăng khả năng dự trữ và giảm trọng lượng pin; giảm kích thước thiết bị phát điện; tăng hiệu quả sử dụng pin nhiên liệu.
Tăng khả năng dự trữ và giảm trọng lượng pin: Hiện nay, hầu như tất cả các loại pin hóa học đều sử dụng ô-xy trong các phản ứng hóa học để tạo ra năng lượng. Ví dụ: Một cục pin a-xít chì, gốc ô-xy là a-xít sun-fua-ríc (H2SO4) elec-trolyte có trọng lượng lớn. Nhưng một cục pin khí Lithi lấy ô-xy từ không khí, sẽ giúp giảm trọng lượng vốn đã rất nhẹ của pin Lithi. Trên lý thuyết, pin khí Lithi có nguồn năng lượng cao (lên tới 1.000W/h/kg). Tuy nhiên, trên thực tế chúng không đáp ứng được chỉ số trên; các phiên bản pin có thể sạc được vẫn chưa đủ độ tin cậy và vẫn có nhiều vấn đề cần khắc phục như độ an toàn, thời gian sử dụng. Mặt khác, Lithi có tính phản ứng cao, có thể bắt lửa hoặc nổ nếu không được vận chuyển đúng cách hoặc hỏng hóc.
Một số giải pháp công nghệ đang được nghiên cứu: Các hãng sản xuất đã tập trung phát triển các loại pin có khối lượng nhẹ hơn, thời gian sử dụng lâu hơn cho các đài phát sóng BOWMAN VHF. Các loại pin mới này dựa trên hóa chất florua đơn chất các-bon Lithi (LiCFx) cho phép chuyển hóa nhanh.
DSTL đang xúc tiến chương trình “Giảm nhẹ gánh nặng của người lính” (RBDS) nhằm mục tiêu giảm khối lượng mang vác xuống còn 25kg; trong đó, phát triển hệ thống điện và trang bị năng lượng cá nhân là một trong những yếu tố quan trọng. DSTL kỳ vọng sẽ phát triển một kết cấu điện tích hợp hoàn toàn, đồng thời các hệ thống năng lượng có thể dựa vào một nguồn năng lượng trung tâm với tỷ trọng năng lượng khoảng 600 - 800 W/h/kg. Bên cạnh đó, Chính phủ Anh, các nhà khoa học và các nhà công nghiệp cũng đang tập trung đầu tư vào các công nghệ cũng như các phần mềm có thể kiểm soát năng lượng thông minh, các thành phần hóa học như khí Lithi, pin nhiên liệu, mạng quang điện, vi động cơ, sợi điện tử, thu năng lượng…
Ngoài ra, một số hướng giải quyết khác cũng đang được nghiên cứu, như: Thu năng lượng sinh hóa, lấy sự vận động của người lính làm nguồn tạo điện năng cung cấp năng lượng cho thiết bị phát sóng radio cá nhân; sử dụng năng lượng mặt trời sử dụng thiết bị quang điện đa lớp để cung cấp năng lượng cho “thiết bị lưu trữ dữ liệu”; triển khai các ăng-ten mạch in đặt trên cơ thể người lính nhằm thu năng lượng sóng tần radio (RF)…
Tăng khả năng sử dụng pin nhiên liệu: Các loại pin nhiên liệu đang được quân đội nhiều nước tin dùng, bởi tỷ trọng năng lượng lớn hơn nhiều so với pin hóa học. Tuy nhiên, điểm hạn chế của loại pin này là nguồn cung cấp nguyên liệu. Tất cả các pin nhiên liệu đều hoạt động theo nguyên tắc kết hợp giữa khí hydro và khí ô-xy để sản sinh ra dòng điện. Vấn đề phức tạp nhất nằm ở chỗ nguồn cung cấp hydro, do loại khí này khó vận chuyển, dễ phát nổ và tỷ trọng năng lượng thấp. Muốn giữ chúng ở dạng lỏng đòi hỏi phải bảo quản ở nhiệt độ đông lạnh và áp suất cao. Pin nhiên liệu cũng có thể dùng dầu đi-ê-zen hoặc dầu lửa, nhưng đòi hỏi quá trình điều chế nhằm hút khí hydro và cần có các thiết bị điều chế, khiến cho trọng lượng mang vác tăng lên, phức tạp và chi phí cao. Đây là lý do tại sao pin nhiên liệu phụ thuộc phần lớn vào các nguyên liệu cồn như methanol và ethanol. Dựa vào kết cấu pin nhiên liệu, những nguyên liệu này có thể sử dụng trực tiếp hoặc qua một quá trình xử lý bên trong khá đơn giản.
DSTL đang hợp tác chặt chẽ với các đơn vị công nghiệp để sản xuất các loại pin nhiên liệu. Trong khuôn khổ “Chương trình năng lượng cá nhân” (PPS), Bộ Quốc phòng Anh đang cấp vốn để phát triển hai hệ thống pin nhiên liệu là “Strand A” ngắn hạn và “Strand B”dài hạn.
“Strand A” là kế hoạch sản xuất nguồn năng lượng mang tên A1, theo thiết kế sẽ sản xuất trung bình 7,2W điện trong vòng 48 giờ, với các đỉnh ngắn lên tới 30W. Theo đó, trọng lượng mục tiêu là 1kg đối với tỷ trọng năng lượng sẽ lớn hơn 300W/h/kg. Nguồn năng lượng A1 sẽ được cung cấp cho các thiết bị điện tử xách tay và các thiết bị thông tin liên lạc kết hợp với công nghệ tích hợp binh sĩ tương lai (FIST) và bộ BOWMAN C4I. Đây là bộ lai tạo kết hợp 1 pin nhiên liệu methanol với phần lai tạo của nó và 1 pin khác, nặng khoảng 1,4kg và cho tỷ trọng năng lượng khoảng 250W/h/kg.
Bộ truyền dẫn tín hiệu.
Hai công ty Qunetiq và Jadoo của Anh cũng đang hợp tác để sản xuất nguồn năng lượng A2. Đây là hệ thống pin nhiên liệu hydro kết hợp với một pin khác. Pin nhiên liệu màng trao đổi proton (PEM) sử dụng amoniac bo làm nguồn cung cấp hydro. Amoniac bo (H3NBH3) là một chất lỏng không màu Bo nitơ hydrit, chất này có nhiều hydro hơn các loại chất hydro lỏng thông thường và sinh ra hdro gas khi gặp nhiệt độ cao. Với trọng lượng 6,3kg, A2 sẽ cung cấp khoảng 1.400W/h điện năng với tỷ trọng năng lượng đạt khoảng 220W/h/kg.
Nguồn năng lượng dài hạn “Strand B” dựa vào sự phát triển của pin khí Lithi có thể sạc được. Tập đoàn năng lượng SFC của Anh đã phát triển loại pin nhiên liệu JENNY 600S. Loại pin này có trọng lượng nhẹ, cơ động, phù hợp với điều kiện tác chiến trên chiến trường, có thể dùng để vận hành các thiết bị điều khiển từ xa. Giống như các loại pin nhiên liệu SFC, pin JENNY sử dụng công nghệ methanol trực tiếp.
Giảm kích thước các thiết bị phát điện: Các thiết bị phát điện có động cơ đốt trong nhỏ được sử dụng nhiều trên chiến trường, chứng tỏ được độ tin cậy và hiệu quả cao, mặc dù có hạn chế là khả năng cơ động thấp (bộ phát điện 2kw tiêu chuẩn của Quân đội Mỹ nặng khoảng 40kg). Do đó, các đơn vị công nghiệp và viện nghiên cứu đang tập trung nghiên cứu phát triển các bộ phát điện nhỏ gọn và nhẹ hơn. Việc sản xuất các bộ phát điện nhỏ đang có nhiều triển vọng bởi các nhiên liệu hóa lỏng có tỷ trọng năng lượng cao hơn nhiều so với hầu hết các loại pin. Theo MEMS, các động cơ này chỉ cần khoảng 20% công suất để đạt được tỷ trọng năng lượng gấp 10 lần một loại pin thông thường.
Tập đoàn Cubewano đang nghiên cứu sản xuất một thiết bị tương đương công suất một máy phát điện 2kw của Quân đội Mỹ, nhưng chỉ nặng khoảng 9-11kg, gồm cả năng lượng. Một máy phát điện như vậy có thể sạc pin và cung cấp năng lượng trực tiếp cho một nhóm 12 binh sĩ thực hiện nhiệm vụ trong vòng 72 giờ. Các động cơ quay sóng âm của Cubewano sử dụng thiết bị đánh lửa hẹn giờ với độ chính xác cao cho phép chúng vận hành bằng nhiều nguồn năng lượng khác nhau gồm đi-ê-zen, dầu lửa, xăng.
Động cơ quay MEMS Berkeley (Anh) có một roto nhỏ (kích thước 1mm), quay với vận tốc 40.000 vòng/phút để sản sinh ra 26mW điện từ có độ dịch chuyển 0,064m3. Berkeley cũng đang nghiên cứu trên quy mô lớn về động cơ roto nhằm cho ra đời các bộ phát điện có công suất 10 - 100W. Các động cơ này có thể sẽ được sử dụng thay thế các loại pin/ắc-quy và được đánh giá là đối thủ cạnh tranh nặng ký của các loại pin nhiên liệu trong thiết bị điện tử xách tay.
Có thể thấy, các cuộc chiến tranh công nghệ cao trong tương lai đòi hỏi các nhà công nghệ phải cung ứng cho người lính trên chiến trường không chỉ là nguồn năng lượng lớn, mà các thiết bị phát điện đi kèm cũng đòi hỏi phải có cấu tạo gọn nhẹ, tiêu tốn ít nhiên liệu. Xu hướng này bước đầu đang được quân đội các nước NATO giải quyết khá thành công và đang thu hút sự quan tâm của quân đội nhiều nước trên thế giới.
ĐOÀN HÙNG