Ô tô điện Tesla Roadster bay nhờ đâu?

Video màn trình diễn ô tô bay của Tesla Roadster. (Nguồn: Tesla)

Tesla Roadster, mẫu xe điện thể thao gây chú ý khi có thể bật khỏi mặt đất, lơ lửng và thực hiện các động tác xoay trên không. Bí mật nằm ở hệ thống lực đẩy khí lạnh do SpaceX phát triển, sử dụng khí nén áp suất cao, chủ yếu là nitơ, thay vì đốt nhiên liệu như động cơ tên lửa thông thường.

Đặc tính của Nitơ

Nitơ, ký hiệu hóa học N, tồn tại chủ yếu dưới dạng phân tử N₂, gồm hai nguyên tử N liên kết chặt chẽ với nhau. Ở điều kiện bình thường, nitơ là khí không màu, không mùi, chiếm khoảng 78% thể tích khí quyển.

Nhờ cấu trúc phân tử bền vững, nitơ khó tham gia các phản ứng hóa học trong điều kiện thông thường. Khí này cũng không duy trì sự cháy như oxy và cũng không phải nhiên liệu để đốt tạo năng lượng. Tuy nhiên, chính đặc tính tương đối trơ về mặt hoá học giúp nitơ phù hợp với các hệ thống sử dụng khí nén áp suất cao.

Ở trạng thái bình thường, các phân tử khí chuyển động liên tục và va chạm với thành bình chứa, tạo ra áp suất. Khi một lượng khí bị ép vào không gian nhỏ hơn, áp suất có thể tăng mạnh. Áp suất càng cao, khí càng có khả năng tạo ra lực mạnh khi được giải phóng.

Khi van bình chứa mở, khí đang chịu áp suất cao lập tức giãn nở và lao qua vòi phun với tốc độ lớn. Luồng khí thoát ra càng mạnh, lực đẩy tạo ra càng lớn.

Theo NASA, nguyên lý này tuân theo định luật III Newton: Khi khí được phun mạnh theo một hướng, nó tạo ra phản lực đẩy vật thể theo hướng ngược lại. Chẳng hạn, nếu luồng khí được phun thẳng xuống dưới, phản lực sẽ hướng lên trên, giúp nâng chiếc xe khỏi mặt đất khi đủ mạnh.

Có thể hình dung hiện tượng này qua một quả bóng bay được thổi căng. Khi buông miệng bóng, không khí thoát ra khiến quả bóng lao theo hướng ngược lại.

Hệ thống lực đẩy trên Tesla Roadster cũng dựa trên nguyên lý tương tự, nhưng sử dụng bình chứa chịu áp suất rất cao và các vòi phun được điều khiển chính xác.

Nếu luồng khí phun ra phía sau, phản lực giúp xe tăng tốc về phía trước. Nếu khí được phun thẳng xuống dưới, phản lực hướng lên trên. Khi tổng lực đẩy thẳng đứng lớn hơn trọng lượng xe, ô tô có thể bật khỏi mặt đất.

Với một chiếc xe nặng khoảng 1.700 kg, lực đẩy hướng lên cần vượt khoảng 16.700 newton để xe bắt đầu được nâng lên trong điều kiện thông thường trên Trái Đất. Tuy nhiên, khả năng đạt mức lực này còn phụ thuộc vào lưu lượng khí, vận tốc dòng khí và thiết kế vòi phun, không chỉ riêng áp suất bình chứa.

Tesla ứng dụng công nghệ này như thế nào?

Theo phân tích kỹ thuật, Roadster của Tesla trang bị hệ thống tăng tốc bằng khí nén có một bình chứa hình cầu màu đen đặt phía sau hai ghế trước. Bình có dung tích khoảng 200 lít, chứa hỗn hợp khí chủ yếu là nitơ ở áp suất lên tới gần 690 bar, tương đương khoảng 680 lần áp suất khí quyển.

Bình được gọi là COPV, loại bình chịu áp suất cao có lớp lót bên trong và được gia cường bằng vật liệu composite sợi carbon. Cấu trúc này giúp chịu áp suất lớn nhưng vẫn hạn chế khối lượng, yếu tố quan trọng đối với xe thể thao hiệu suất cao.

Từ bình chứa, khí đi qua hệ thống van và đường ống tới bốn vòi phun phía sau xe. Các vòi này hoạt động theo nguyên lý động cơ đẩy khí lạnh, tức tạo lực đẩy nhờ giải phóng khí nén mà không cần phản ứng đốt cháy.

Để thực hiện những động tác trên không, phiên bản Roadster Rocket được bổ sung bình chứa lớn hơn, nâng tổng dung tích các bình lên khoảng 600 lít. Xe có tổng cộng 10 vòi phun, trong đó bốn vòi hướng xuống gần các bánh xe để tạo lực nâng, hai vòi ở đầu xe hỗ trợ điều chỉnh hướng xoay và bốn vòi phía sau tạo lực đẩy tiến về trước.

Sự phối hợp giữa các vòi phun giúp xe thực hiện những cú bật nhảy, xoay và di chuyển quãng ngắn trên không trong màn trình diễn.

Theo Lars Moravy, Phó chủ tịch phụ trách kỹ thuật phương tiện của Tesla, các đường ống dẫn khí cần có chiều dài đồng đều để bảo đảm lượng khí cung cấp tới các vòi phun cân bằng.

Nếu lực đẩy hai bên chênh lệch, xe có thể bị xoay lệch ngoài ý muốn.

Hệ thống cũng sử dụng những vật liệu có độ bền cao như titan và hợp kim Inconel để đáp ứng yêu cầu về áp suất và khối lượng.

Dù vậy, nitơ không phải loại khí duy nhất có thể tạo phản lực. Những chất khí khác, kể cả không khí nén, cũng có thể được sử dụng trong hệ thống đẩy khí lạnh. Ưu điểm của nitơ nằm ở tính ổn định hóa học, không cháy và khả năng cung cấp tương đối thuận tiện.

Tuy nhiên, bất kể sử dụng nitơ hay loại khí nào khác, công nghệ phản lực này đều có một hạn chế. Khi các vòi phun liên tục giải phóng khí để tạo lực đẩy mạnh, áp suất và lượng khí trong bình giảm dần. Muốn duy trì hoạt động, hệ thống phải được bổ sung khí hoặc có phương án nén khí trở lại, vốn cũng tiêu tốn năng lượng.

Điều này lý giải vì sao một chiếc xe có thể bật lên hoặc lơ lửng trong thời gian ngắn chưa đồng nghĩa nó có thể bay đường dài như máy bay.

Cơ chế sử dụng khí nitơ trên xe Tesla. (Ảnh minh họa: AI)

CEO Tesla Elon Musk cho rằng Roadster có thể tự thu nhận, nén và lưu trữ khí phục vụ hệ thống lực đẩy. Tuy nhiên, cơ chế cụ thể và khả năng vận hành lâu dài của giải pháp này chưa được làm rõ.

Về bản chất, nitơ chỉ đóng vai trò môi chất truyền năng lượng. Chính quá trình nén khí và giải phóng luồng khí tốc độ cao qua vòi phun mới tạo ra phản lực giúp chiếc xe rời khỏi mặt đất. Nguyên lý này cũng được ứng dụng trong các động cơ đẩy khí lạnh trên vệ tinh và tàu vũ trụ, nơi những luồng khí nhỏ có thể giúp điều chỉnh hướng hoặc vị trí mà không cần đốt nhiên liệu.