Công nghệ siêu dẫn trong truyền tải điện

Một bó dây cáp truyền dẫn được 5 gigawatt – tương đương với sản lượng của 5 nhà máy điện hạt nhân – có thể nằm gọn trong một đường ống với đường kính chỉ 3 feet chôn được dưới lòng đất.

Công nghệ truyền tải điện siêu dẫn tại Mỹ (Ảnh minh họa)

Mùa xuân năm 1987 đã diễn ra một trong những hội nghị khoa học lớn nhất lịch sử được biết đến với tên gọi Woodstock of Physics. Ba nghìn nhà vật lý đã nhóm họp tại New York Hilton để thảo luận về hiện tượng siêu dẫn, tức là khả năng truyền tải năng lượng với trở kháng gần như bằng 0. Siêu dẫn hứa hẹn những ứng dụng tuyệt vời, từ hệ thống máy tính cực nhanh đến các mô-tơ điện có công suất cực lớn hay đơn giản là hệ thống truyền tải điện năng không gây tỏa nhiệt lãng phí trên đường đi.

Từ đó đến nay hơn hai thập kỷ đã trôi qua nhưng chất siêu dẫn vẫn chưa thể dành được vị trí xứng đáng như khả năng hứa hẹn của nó. Lý do một phần bởi những vật liệu siêu dẫn được tìm ra cuối những năm 1980 còn nhiều điểm hạn chế khiến nó khó ứng dụng vào thực tế hơn các nhà khoa học tưởng, và một phần khác còn do khả năng tiết kiệm năng lượng của vật liệu siêu dẫn vẫn chưa phải một đề tài thực sự hấp dẫn trong hầu như suốt thập niên 90 của thế kỷ trước. Nhưng ngày nay, tình hình đã thay đổi khi tiết kiệm năng lượng trở thành một giải pháp chiến lược trong cuộc chiến chống lại quá trình biến đổi khí hậu toàn cầu. Thêm vào đó, nhiều vấn đề kỹ thuật hóc búa xung quanh công nghệ siêu dẫn đã được các nhà khoa học tìm ra lời giải, mà một trong số đó chính là thành công của một nhóm các nhà nghiên cứu và kỹ sư của châu Âu, Mỹ và Nhật Bản khi họ tìm ra cách biến các chất siêu dẫn vốn rất giòn và dễ vỡ thành những dây cáp tương đối mềm dẻo. Nhờ đó, những hoài nghi trước đây về khả năng ứng dụng thực sự của công nghệ siêu dẫn vào cuộc sống đã đang dần tan biến.

Gần đây, công nghệ siêu dẫn này đã được ứng dụng cho tàu thủy, tuốc-bin gió và xe hơi chạy bằng điện. Nhưng thách thực lớn nhất trước mắt chính là làm sao ứng dụng nó vào hệ thống truyền dẫn điện năng, bởi nhu cầu về một hệ thống đường dây truyền điện đường dài để đưa điện từ những nguồn năng lượng thay thế như sức gió và năng lượng mặt trời đang ngày một bức thiết. Chẳng hạn như tại Mỹ, khu vực tối ưu nhất để thu sức gió là một dải kéo dài từ bắc Texas đến Dakotas, trong khi năng lượng mặt trời lại có thể được tận dụng tốt nhất tại Arizona và New Mexico, còn khu vực tiêu thụ năng lượng điện nhiều nhất, tức là các khu đô thị, lại tập trung dọc theo các bờ biển hoặc quanh vùng Hồ Lớn. Nếu sử dụng hệ thống dây điện thông thường hiện nay thì một mặt gây mất mỹ quan và mặt khác quan trọng hơn là nó gây thất thoát nhiều điện năng trên đường truyền tải (có thể tới 14% điện năng nếu đường cáp được làm bằng đồng) trong khi chi phí cho hệ thống này cũng không hề rẻ.

Và chính điều này đã tạo ra điểm vượt trội của các sợi cáp siêu dẫn. Một bó dây cáp truyền dẫn được 5 gigawatt – tương đương với sản lượng của 5 nhà máy điện hạt nhân – có thể nằm gọn trong một đường ống với đường kính chỉ 3 feet chôn được dưới lòng đất. Một phần đường ống này sẽ được nối với hệ thống làm lạnh – hiện tượng siêu dẫn chỉ có thể diễn ra khi nhiệt độ của vật liệu siêu dẫn được hạ xuống mức rất thấp. Trước đây người ta sử dụng heli hóa lỏng ở nhiệt độ -269oC để làm lạnh, nhưng ngày nay các nhà khoa học đã tạo ra loại vật liệu có thể đạt được tính năng siêu dẫn chỉ với việc làm lạnh bằng nitơ lỏng, tức là ở nhiệt độ khoảng -70o C. Đây là một bước tiến có ý nghĩa kinh tế lớn bởi chi phí sản xuất và làm lạnh nitơ rẻ hơn so với chi phí này đối với heli. Hệ thống làm lạnh sẽ tiêu hao một phần năng lượng từ dây cáp nhưng ở mức nhỏ hơn rất nhiều nếu so với lượng thất thoát điện năng khi sử dụng đường dây điện bằng đồng.

Hiện nay, hệ thống cáp điện siêu dẫn đã được lắp đặt thử nghiệm tại đảo Long Island, California và tiếp theo sẽ là thành phố New York. Nếu thành công, dự kiến mạng lưới truyền tải điện của Manhattan, Mỹ sẽ được nâng cấp toàn diện vào năm 2010 bằng loại cáp điện mới này.