Khinh khí cầu bay bằng khí nào: heli hay hiđrô

Khinh khí cầu — là các phương tiện bay nhẹ hơn không khí, từng một thời thống trị bầu trời, còn ngày nay đang trải qua sự phục hưng về công nghệ. Khả năng lơ lửng trên không của chúng phụ thuộc vào loại khí được bơm đầy vào vỏ bao. Nhưng hiện nay người ta dùng chính xác loại khí nào — heli hay hiđrô? Và vì sao việc lựa chọn khí lại quan trọng đến vậy đối với an toàn, hiệu quả và tương lai của ngành chế tạo khinh khí cầu? Trong bài viết này, chúng tôi sẽ phân tích chi tiết lịch sử, vật lý và các xu hướng hiện đại để trả lời câu hỏi then chốt: khinh khí cầu bay bằng khí gì?

Ở buổi đầu của kỷ nguyên hàng không nhẹ hơn không khí, vào thế kỷ XIX và đầu thế kỷ XX, loại khí chủ yếu dùng để bơm đầy khinh khí cầu là hiđrô. Tại sao? Vì đây là loại khí nhẹ nhất trong số những khí đã biết — khối lượng phân tử chỉ 2 g/mol, nhờ đó tạo lực nâng tối đa. Ngoài ra, hiđrô có thể được tạo ra tương đối rẻ và với số lượng lớn — chẳng hạn thông qua phản ứng kẽm với axit sunfuric hoặc điện phân nước.

Những khinh khí cầu có điều khiển đầu tiên — các thiết kế của kỹ sư người Pháp Henri Giffard (1852) và bá tước người Đức Ferdinand von Zeppelin (đầu những năm 1900) — đã sử dụng chính hiđrô. Loại khí này cho phép nâng các tải trọng đáng kể và đạt tốc độ mà bóng bay không thể có. Hiđrô được dùng để bơm đầy khinh khí cầu của tất cả các cường quốc hàng đầu — Đức, Pháp, Vương quốc Anh, Hoa Kỳ. Đó là thời kỳ hoàng kim của khinh khí cầu, nhưng đã kết thúc một cách bi thảm quá nhanh.

Khinh khí cầu dùng hiđrô là một kỳ tích kỹ thuật đúng nghĩa của thời đại — những khung kim loại khổng lồ bọc vải, chứa hàng nghìn mét khối khí, có thể vượt Đại Tây Dương và chở hàng chục hành khách. Nhưng ẩn sau lực nâng ấy là hiểm họa: hiđrô rất dễ bắt cháy.

Ưu điểm của hiđrô như một khí nâng là rất rõ ràng: nó nhẹ hơn không khí gần 14 lần, tạo lực nâng xuất sắc, chi phí sản xuất thấp và dễ tiếp cận. Khinh khí cầu dùng hiđrô có thể chở nhiều hàng hơn, bay lâu hơn và cần ít nhiên liệu hơn để duy trì độ cao. Tuy nhiên, nhược điểm lớn nhất của nó — tính dễ cháy cao — đã xóa sạch mọi ưu thế. Ngày nay chúng ta có công nghệ kiểm soát quá trình cháy, nhưng thời đó người ta còn chưa hề biết đến.

Lịch sử ghi nhận nhiều thảm họa liên quan đến việc hiđrô bốc cháy. Nổi tiếng nhất — thảm họa khinh khí cầu «Hindenburg» ngày 6 tháng 5 năm 1937 tại Lakehurst, Hoa Kỳ. Chiếc zeppelin khổng lồ của Đức, đến từ Frankfurt, đã bốc cháy trong lúc hạ cánh và bị thiêu rụi chỉ trong vài phút. Trong số 97 người trên khoang, số người thiệt mạng là 36. Nguyên nhân — một tia lửa (có thể do điện tĩnh) đã khiến hiđrô bùng cháy. Video và ảnh chụp thảm họa đã lan truyền khắp thế giới và vĩnh viễn làm suy giảm niềm tin vào các khinh khí cầu dùng hiđrô.

Trước «Hindenburg» cũng đã có những thảm kịch khác: các vụ nổ của khinh khí cầu R101 tại Vương quốc Anh (1930), USS «Shenandoah» tại Hoa Kỳ (1925), LZ 4 tại Đức (1908). Mỗi sự kiện đều buộc các kỹ sư phải tìm kiếm phương án thay thế. Các vụ bốc cháy và nổ hiđrô trở thành nguyên nhân chính khiến người ta từ bỏ việc sử dụng nó trong hàng không dân dụng. Quân đội vẫn tiếp tục sử dụng khinh khí cầu hiđrô cho đến cuối Chiến tranh Thế giới thứ Hai, nhưng sau đó kỷ nguyên hiđrô trong lĩnh vực hàng không nhẹ hơn không khí đã khép lại.

Heli — nguyên tố nhẹ thứ hai sau hiđrô, nhưng, khác với hiđrô, nó hoàn toàn trơ. Nó không cháy, không nổ, không tham gia phản ứng hóa học. Khinh khí cầu dùng heli — là sự bảo đảm về an toàn. Chính vì vậy, sau thảm họa «Hindenburg», tất cả các khinh khí cầu dân dụng mới đều bắt đầu được bơm đầy heli.

Chiếc khinh khí cầu sử dụng heli đầu tiên — USS «Shenandoah» của Hoa Kỳ — đã được chế tạo từ năm 1923, nhưng do thiếu heli và chi phí cao nên hiếm khi được sử dụng. Heli được khai thác chủ yếu ở Hoa Kỳ, nơi có những mỏ khí tự nhiên lớn nhất với hàm lượng heli cao. Năm 1927, Quốc hội Hoa Kỳ thậm chí đã cấm xuất khẩu heli, vì lo ngại rằng các đối thủ tiềm tàng có thể sử dụng nó cho khinh khí cầu quân sự.

Về lực nâng, heli kém hiđrô khoảng 8%, nhưng sự chênh lệch này được bù đắp bằng an toàn. Các khinh khí cầu hiện đại — phục vụ quảng cáo, du lịch, nghiên cứu khoa học — chỉ sử dụng heli. Ví dụ, những khinh khí cầu Goodyear nổi tiếng, có thể được nhìn thấy trên bầu trời phía trên các sân vận động và thành phố, đều được bơm đầy heli. Chúng chở ít hàng hơn so với các tiền nhiệm dùng hiđrô, nhưng lại hoàn toàn an toàn ngay cả khi gặp sự cố.

Thêm vào đó, heli không độc, không mùi, không màu và không gây ăn mòn vật liệu vỏ bao. Nhược điểm duy nhất của nó — giá thành và tính hữu hạn của nguồn tài nguyên. Heli là tài nguyên không tái tạo; việc khai thác phức tạp và trữ lượng toàn cầu đang dần cạn kiệt. Điều này thúc đẩy các nhà khoa học tìm kiếm giải pháp thay thế, nhưng cho đến nay heli vẫn là tiêu chuẩn vàng đối với khinh khí cầu.

Ngày nay, loại khí được sử dụng cho khinh khí cầu — gần như chỉ có heli. Công nghệ sản xuất và lưu trữ heli đã được cải thiện đáng kể, các hệ thống thu hồi và tái sử dụng đã xuất hiện, giúp giảm chi phí vận hành. Người ta dùng khí trơ nào để bơm đầy khinh khí cầu? Chỉ có heli — đơn giản là không có khí trơ nào khác vừa đủ nhẹ vừa đủ an toàn. Neon, argon, krypton — tất cả đều nặng hơn không khí và không phù hợp để tạo lực nâng.

Khinh khí cầu hiện đại được bơm đầy bằng gì? Bằng heli có độ tinh khiết cao (99,995% trở lên) để tránh tạp chất có thể ảnh hưởng đến lực nâng hoặc mức độ an toàn. Đồng thời, người ta sử dụng các vỏ bao nhiều lớp làm từ vật liệu composite hiện đại, giúp giảm thiểu rò rỉ heli — khác với các vỏ bọc bằng vải của thế kỷ trước.

Những năm gần đây đã xuất hiện các khinh khí cầu lai — kết hợp lực nâng khí tĩnh (từ heli) với lực nâng khí động (từ hình dáng thân và động cơ). Chúng có thể vận chuyển hàng nặng đến những khu vực khó tiếp cận — ví dụ, Lockheed Martin đã phát triển khinh khí cầu lai LMH-1, được thiết kế để vận chuyển hàng hóa tại Bắc Cực và các vùng núi.

Cũng đang tiến hành nghiên cứu chế tạo khinh khí cầu với các hệ thống thu gom và tái sử dụng heli, giúp chúng thân thiện với môi trường và tiết kiệm hơn. Trong tương lai, có thể xuất hiện khinh khí cầu sử dụng hỗn hợp heli với các loại khí khác, hoặc thậm chí sử dụng không khí nóng — nhưng hiện tại vẫn chỉ là các dự án thử nghiệm.

Không khí không phù hợp để bơm đầy khinh khí cầu — bởi vì nó không thể nhẹ hơn chính bản thân nó. Để một phương tiện bay trở nên nhẹ hơn không khí, thể tích bên trong phải được lấp đầy bằng một chất có mật độ thấp hơn khí quyển xung quanh. Không khí chủ yếu gồm nitơ (78%) và oxy (21%), mật độ của nó trong điều kiện tiêu chuẩn — khoảng 1,225 kg/m³. Không thành phần nào của không khí có thể tạo lực nâng nếu không được làm nóng.

Tuy nhiên, vẫn có một ngoại lệ — khinh khí cầu dùng không khí nóng, tương tự như bóng bay. Nguyên lý rất đơn giản: không khí được làm nóng giãn nở, mật độ giảm xuống và phương tiện trở nên nhẹ hơn lớp không khí lạnh xung quanh. Những khinh khí cầu như vậy tồn tại — chẳng hạn các dự án Thermal Airship hoặc dự án «Santos-Dumont» tại Brazil. Chúng an toàn, chi phí vận hành thấp và không đòi hỏi các loại khí đắt đỏ. Nhưng chúng có những nhược điểm nghiêm trọng:

Lực nâng thấp hơn so với heli hoặc hiđrô;

Cần phải liên tục gia nhiệt không khí, kéo theo mức tiêu thụ nhiên liệu lớn;

Khó điều khiển ở độ cao lớn, nơi nhiệt độ không khí xung quanh giảm xuống;

Khả năng chở tải và tầm bay bị hạn chế.

Vì vậy, không khí ở dạng bình thường không được dùng để bơm đầy khinh khí cầu. Chỉ khi được làm nóng — và ngay cả khi đó, nó chỉ phù hợp như một lựa chọn ngách cho những nhiệm vụ cụ thể: du lịch, quảng cáo, quan sát ở độ cao thấp.

Vậy ngày nay khinh khí cầu bay bằng loại khí nào? Câu trả lời là dứt khoát — heli. Hiđrô đã bị bỏ lại trong quá khứ vì tính dễ nổ, mặc dù có đặc tính lực nâng vượt trội. Heli — an toàn, trơ, đáng tin cậy — đã trở thành loại khí chính cho tất cả các khinh khí cầu hiện đại. Không khí không thể làm khí nâng nếu không được gia nhiệt, còn các công nghệ thay thế hiện vẫn chưa vượt ra khỏi khuôn khổ thử nghiệm.

Tương lai của khinh khí cầu — thuộc về các hệ thống lai, vật liệu mới và, có lẽ, heli tổng hợp hoặc những đổi mới khác. Nhưng hiện tại, nếu quý vị nhìn thấy một chiếc khinh khí cầu trên bầu trời — hãy yên tâm: bên trong nó là heli. An toàn, độ tin cậy và sự an tâm — đó là điều quan trọng nhất trong lĩnh vực hàng không nhẹ hơn không khí ngày nay.

Với việc tạo ra những khinh khí cầu an toàn, tiết kiệm và thân thiện với môi trường như vậy, quý vị có thể tham gia. Cách thực hiện, chúng tôi chia sẻ tại đây.