Vật liệu: Tiến lên phía trước

Các nhà chế tác ngày càng làm việc với các vật liệu mới, làm thay đổi trò chơi.

Nó đủ nhỏ để được giữ trong tay bạn và trông giống một khúc kim loại tầm thường được khoan với những lỗ bé xíu, nhưng cực kỳ khó để chế tạo. Bởi vì nó phải quay 12.000 vòng một phút dưới áp suất cao tại nhiệt độ 1.600°C, cao hơn điểm nóng chảy của vật liệu tạo ra nó 200°C. Và nó phải qua được cái địa ngục xoắn quặn đó đủ lâu để đẩy một máy bay dân dụng lớn suốt 24 triệu km (15 triệu dặm) trước khi được thay thế. Tổng cộng, 66 chiếc cánh mập này được dùng trong turbine phía sau của một động cơ Rolls-Royce Trent 1000, và công ty Anh này chế tạo hàng trăm ngàn cánh này một năm.
Các hãng Mỹ và Âu châu đã cố tìm cho được sự bảo vệ trong chế tác cao cấp khỏi sự tấn công của các nhà sản xuất giá rẻ. Việc đó ngày càng dính đến chuyện trở nên đầy sáng tạo hơn với các vật liệu. Bài báo này sẽ ngó tới một số đổi mới sáng tạo như vậy, kể cả hệ thống đúc đặc biệt cho các cánh turbine Rolls-Royce cũng việc sử dụng như sợi carbon, chất thải nhựa được tái chế, công nghệ ắc quy mới và những công nghệ khác.

Khi các nước đang phát triển trở nên giàu hơn và tinh vi hơn, họ cũng muốn chế tạo các thứ như máy bay, động cơ phản lực và các xe thể thao tính năng cao. Trong một số trường hợp các hãng phương Tây ký hợp đồng phụ sản xuất một phần công việc cho các hãng ở các nước thử xây dựng năng lực công nghiệp của họ, thường khi các nước đó có các đặt hàng lớn. Nhưng một số thứ không được chia sẻ bởi vì chúng quá quan trọng để duy trì lợi thế cạnh tranh của sản phẩm.

Đối với Rolls-Royce, các cánh turbine là một trong những công nghệ then chốt. Ma thuật tạo ra chúng phụ thuộc vào một sự hiểu biết sâu sắc về khoa học vật liệu và công nghệ sản xuất. Khi các kim loại rắn lại sau khi đúc chúng thường chứa nhiều vi tinh thể. Việc đó vẫn để chúng đủ chắc cho hầu hết các thứ, nhưng đó là một điểm yếu tiềm tàng trong một cánh turbine. Vì thế Rolls-Royce dùng một hệ thống độc nhất để đúc cánh trong một siêu-hợp kim trên cơ sở nickel với một cấu trúc tinh thể liên tục và không bị vỡ. Việc này bảo đảm sẽ không có lỗi cấu trúc nào.

Không khí lưu hành qua trung tâm rỗng của cánh và trào ra các lỗ được định vị một cách chính xác, được tạo ra bởi một quá trình điện tử đặc biệt bởi vì không có máy khoan truyền thống nào đủ chính xác. Các lỗ tạo ra một màng không khí mà tràn ra khắp bề mặt để ngăn cánh khỏi bị nóng chảy. Cánh cũng được phủ bằng lớp gốm chịu nhiệt. Các nhà chế tạo chuẩn bị làm như vậy bởi vì một cánh chắc và chịu nhiệt cho phép động cơ phản lực chạy nóng hơn, cải thiện sự cháy và làm giảm tiêu thụ nhiên liệu.

Đừng chỉ đứng đó, hãy sáng chế

Nhà máy mới ở Derby, nơi Rolls-Royce chế tạo các cánh turbine, cũng hơi không bình thường. Các nhà thiết kế, các kỹ sư và các nhân viên sản xuất cùng ở dưới một mái nhà thay cho ở các tòa nhà khác nhau hay thậm chí ở các nước khác nhau. Họ được tập hợp lại với nhau bởi vì Rolls-Royce tin rằng sự gần nhau sẽ dẫn đến sự hiểu biết kỹ hơn về vai trò của nhau và khả năng sáng tạo. Việc đó sẽ là cốt yếu trong những năm tới, Hamid Mughal, trưởng bộ phận kỹ thuật chế tác của Rolls-Royce, nói: “Công nghệ sản phẩm là chìa khóa cho sự sống sót, và sự xuất sắc trội hơn về chế tác tạo ra một trong những cơ hội lớn nhất trong tương lai.” Sự kết hợp đó, Mughal tin, là cách duy nhất để bắt kịp những đột phá: “Những sự tăng lên thêm sẽ không làm được việc đó.”

Tư duy giống vậy cũng có thể thấy ở GE. Nó cũng chế tạo động cơ phản lực và có các nhánh kinh doanh bao gồm năng lượng, chiếu sáng, đường sắt và chăm sóc sức khỏe. “Đã trở nên rõ đối với chúng tôi nhiều năm trước rằng chúng tôi cần hợp nhất nghiên cứu vật liệu và các công nghệ chế tác,” Idelchik, người đứng đầu nghiên cứu của GE nói. Các sản phẩm mới thường được bắt đầu với thiết kế, tiếp đến là lựa chọn vật liệu và sau đó là chế tác. “Bây giờ nó được tiến hành đồng thời.”

Một sản phẩm của các nỗ lực này là một ắc quy công nghiệp mới. Việc này bắt đầu với nghiên cứu chế tạo một ắc quy đủ bền để dùng trong một đầu máy xe lửa loại lai. Một ắc quy hóa học dựa trên nickel và muối cung cấp mật độ năng lượng và độ bền đòi hỏi. Thế nhưng làm cho nó hoạt động trong phòng thí nghiệm là một chuyện, thương mại hóa các quá trình dính líu đến sản xuất hàng loạt ắc quy lại là chuyện khác. Vì thế GE dựng lên các dây chuyền sản xuất pilot để học làm cách nào để đưa các ý tưởng hứa hẹn vào hoạt động trước khi xây một nhà máy. Một số ý tưởng thất bại tại giai đoạn này, các ý tưởng khác tung bay.

Ắc quy là ý tưởng đã cất cánh. Bên cạnh các xe lửa lai nó cũng phù hợp cho các xe lai khác, như các xe nâng hạ, cũng như các ứng dụng như cung cấp điện dự phòng cho các trung tâm dữ liệu và để cung cấp điện cho các cột trạm viễn thông ở các vùng hẻo lánh. Nó sẽ được sản xuất trong một cơ sở mới 100 triệu $ gần Niskayuna sao cho các nhà nghiên cứu có trách nhiệm tiếp tục phát triển. Bản thân ắc quy gồm một bộ các pin chuẩn được phân thành các modul mà có thể được nối lại với nhau cho các ứng dụng khác nhau. Các modul chiếm một nửa không gian của một ắc quy chì-axit tương đương, và chỉ nặng bằng khoảng một phần tư, sẽ kéo dài 20 năm mà không cần bảo dưỡng định kỳ và hoạt động tốt trong các điều kiện băng giá hay rất nóng, Glen Merfeld, người phụ trách các hệ thống lưu trữ năng lượng tại phòng thí nghiệm của GE, nói.

Một vật liệu khác khiến GE và các nhà chế tác khác đặc biệt quan tâm là sợi carbon. Nó được sử dụng rồi để chế tạo các cánh quạt lớn trước một số động cơ phản lực. Nó dẻo với tư cách một nguyên liệu thô, nhưng khi vải sợi carbon được thấm nhựa epoxy, được tạo hình và xử lý, nó có thể bền như thép và chỉ nặng một nửa. Sức bền đó là do các liên kết hóa học mạnh hình thành giữa các nguyên tử carbon. Sợi có thể được xếp theo các hướng khác nhau, cho phép các kỹ sư chỉnh độ bền và độ dẻo của một cấu trúc composite một cách chính xác.

Việc sử dụng quy mô lớn sợi carbon đã bắt đầu trong ngành hàng không vũ trụ. Máy bay của cả Airbus và Boeing sử dụng nó một cách rộng rãi thay cho nhôm. Nó không chỉ nhẹ hơn, cũng có một ưu điểm chế tác lớn: các phần lớn, như bề mặt chính của một cánh máy bay, có thể được chế tạo một lèo thay cho việt tán đinh rive rất nhiều cấu thành lại với nhau.

Hãy nhìn, không có cánh tay nào
 
Độ bền, độ nhẹ và khả năng tiết kiệm lao động chân tay do sợi carbon mang lại là cái khiến cho vật liệu này hấp dẫn đối với các loại sản phẩm khác nhau. McLaren, một đội đua Formula 1 (F1) của Anh, đã là đội đầu tiên dùng một xe đua F1 với kết cấu sợi carbon. John Watson đã lái nó để đoạt giải British Grand Prix năm 1981 tại Silverstone. Muộn hơn trong năm đó anh đã chứng tỏ, theo cách đầy kịch tính, khả năng chịu va đập của nó khi anh đứng dậy không việc gì từ một vụ tai nạn va đập nghiêm trọng tại Monza. Trong vòng vài năm mọi đội F1 đã đua bằng các xe làm từ sợi carbon. Nhưng xây dựng chúng, chủ yếu bằng tay, đã có thể tốn 3.000 người-giờ.

Hiện nay chỉ cần bốn giờ để làm ra một chassis sợi carbon và phần thân dưới của xe MP4-12C, một xe thể thao có giá $275.000 mà McLaren tung ra trong năm 2011 để cạnh tranh với địch thủ truyền kiếp Ferrari trên đường bộ cũng như trên đường đua. Xe MP4-12C được xây dựng trong một nhà máy sạch như bệnh viện gần trụ sở của McLaren ở Woking, tây London. Cuối cùng công ty sẽ chế tạo một dải road car (xe thường chạy trên đường không phải xe đua) dùng sợi carbon. Nó sẽ đạt việc đó nhanh hơn nhờ sự phát triển của một kỹ thuật tự động hóa một phần để ép vật liệu vào một khuôn và phun nhựa epoxy thấm vào dưới áp suất. Kỹ thuật này được mở đường cùng với Carbo Tech, một hãng Áo chuyên về composite.

Giống nhiều công nghệ được motor thể thao mở đường, sợi carbon bây giờ chuyển từ các siêu xe xuống các mẫu xe thường ngày hơn. BMW đang tung ra một dải mẫu xe chạy điện và xe lai dùng thân xe sợi carbon. Mẫu đầu tiên, một xe chạy điện nhỏ cho đô thị được gọi là BMW i3, sẽ được lắp ráp tại một nhà máy mới ở Leipzig từ năm tới. Một xe sợi carbon, do nhẹ, sẽ chạy được quãng đường dài hơn từ ắc quy của nó so với xe làm bằng thép nặng hơn. Nó thậm chí còn chứng tỏ bền hơn trong các cuộc thử va đập.
Một vật liệu bền ngạc nhiên khác có thể được làm từ đồ người dân vứt đi. Arthur Huang, đồng sáng lập của Miniwiz Phát triển Năng lượng Bền vững (Sustainable Energy Development), có trụ sở ở Đài Loan, được đào tạo như một kiến trúc sư tại Mỹ. Ông tạo ra các vật liệu xây dựng từ rác tái chế. Một sản phẩm, Gạch-Polli, là một khối giống một chai vuông làm từ nhựa PET tái chế từ các chai và hộp nhựa được dùng rộng rãi để chứa thực phẩm và đồ uống. Bởi vì hình dáng của chúng, các viên Polli-Brick có thể khớp với nhau mà không cần bất cứ chất kết dính nào để tạo ra các kết cấu như các bức tường. Những tường này, Huang nói, là đủ bền để chịu được bão, nhưng làm giảm rất nhiều dấu chân carbon của một tòa nhà và chỉ tốn khoảng một phần tư giá của vật liệu xây dựng truyền thống. Hơn nữa, vì chúng trong mờ nên có thể kết hợp phát sáng LED trong chúng.

Một lợi thế cụ thể

Một vật liệu khác trong số vật liệu của Huang là chất kết dính tự nhiên chiết xuất từ trấu bị bỏ đi. Chất này cũng có thể cho thêm vào để giúp đông kết bê tông. Ý tưởng không hoàn toàn mới; như Huang chỉ ra, cái gì tương tự đã được thêm vào vữa dùng để xây Vạn Lý Trường Thành ở Trung Quốc. Ông nghĩ Trung hoa lục địa với đợt hưng thịnh xây dựng lần nữa có thể là một thị trường lớn cho sản phẩm này. Các vật liệu tương tự có thể chiết xuất từ trấu lúa mạch bị bỏ đi ở các xưởng ủ rượu. Huang mơ tưởng về hệ thống có thể được dùng ở các cộng đồng địa phương để biến các thứ bỏ đi thành các sản phẩm hữu ích.

Kỹ thuật làm sản phẩm ngày càng bắt đầu ở quy mô nano. Công nghệ nano đã được dùng rồi để nâng cao một số sản phẩm. Dioxide titan, chẳng hạn, được dùng để tạo ra kính tự làm sạch ở các tòa nhà. Một màng dày vài nano mét là đủ mỏng để nhìn qua thế nhưng đủ mạnh để phản ứng với ánh sáng mặt trời để phá vỡ chất bẩn hữu cơ. Vật liệu cũng háo nước, thu hút mưa như một dải nước rửa sạch các thứ còn lại. Pilkington, một công ty Anh, là công ty đầu tiên tung ra kính tự làm sạch sử dụng công nghệ này trong năm 2001.

Dạo qua các phòng thí nghiệm nghiên cứu tại MIT cung cấp nhiều thí dụ hơn về các sản phẩm tương lai mà có thể dùng các hạt nano. Giữa các thứ Kripa Varanasi và các đồng nghiệp của ông nghiên cứu là các vật liệu vô cùng kỵ nước. Các vật liệu này có thể được dùng để tạo ra các lớp phủ siêu kỵ nước mà sẽ cải thiện hết sức hiệu quả và độ bền của các máy như các turbine hơi nước và các nhà máy biến nước mặn thành nước ngọt, Varanasi nói. Các lớp phủ như vậy cũng có thể được dùng cho các turbine hơi nước hiện hành tạo ra phần lớn điện năng của thế giới. Đó có thể trở thành một ngành kinh doanh nâng cấp (retrofit) lớn, Varanasi nghĩ.

Tự nhiên dùng rồi các vật liệu với các kết cấu nano hết sức hiệu quả. Các hóa thạch thu hút sự quan tâm của Angela Belcher được hình thành khoảng 500 triệu năm trước khi các sinh thể thân mềm ở biển bắt đầu dùng các khoáng chất để nuôi các vật liệu cứng dưới dạng vỏ và xương. Các sản phẩm tự nhiên này chứa các cấu trúc nano tinh tế, như vỏ óng ánh của bào ngư, bà Belcher nói. Nếu các sinh vật có khả năng để tạo ra các vật liệu giống thế trong DNA của chúng, bà kết luận, phải là có thể để noi gương đua với nó. Đó là cái nhóm nghiên cứu của bà tại MIT thử làm bây giờ, sử dụng kỹ thuật genetic.

Dẫu có vẻ kỳ quặc, một trong các dự án của bà Belcher dính líu đến dùng các virus để làm pin. Các virus—thường là loại tiêm nhiễm vi khuẩn và vô hại đối với con người—là công cụ khá quen thuộc trong kỹ nghệ genetic. Đầu tiên, Belcher và các đồng nghiệp của bà chế biến các virus về mặt di truyền để tương tác hay liên kết với các vật liệu mà họ quan tâm. Vì họ không có hàng triệu năm để đợi, họ ứng dụng cái chẳng khác gì một quá trình Darwinian tốc độ cao: tạo ra hàng tỷ virus mỗi lần, chọn ra các virus có hy vọng và lặp lại quá trình cho đến khi họ đạt được một biến thể có khả năng làm cái họ muốn.

Nhóm đã phát triển các virus có thể tạo ra các thành phần của một pin, như cathode và anode, và sử dụng chúng để làm ra các pin nhỏ cỡ cúc áo, giống các pin cấp điện cho đồng hồ đeo tay, nhưng quá trình có tiềm năng để được mở rộng quy mô. Cái khiến cho công nghệ quyến rũ đến vậy, bà Belcher nói, là nó rẻ, sử dụng các chất không độc và nó thân thiện với môi trường.

Hai công ty do bà Belcher lập ra đang làm các thứ bằng virus rồi. Cambrios Technologies đang sản xuất các chất phủ cho các màn hình cảm ứng (touch screen) và Siluria Technologies (bà Belcher thích đặt tên cho công ty của bà theo các niên đại địa chất) dùng virus để phát triển các chất xúc tác để biến gas tự nhiên thành dầu và nhựa. Cũng có các ứng dụng tiềm năng trong pin mặt trời, chẩn đoán y tế, điều trị ung thư. Và tất cả là từ một ý tưởng được truyền cảm hứng bởi một vỏ sò biển.

Một trong những người tại MIT mà bà Belcher làm việc cùng là Gerbrand Ceder, một chuyên gia ắc quy người cảm thấy rằng phải có cách dễ hơn để tìm ra các vật liệu so với quá trình xảy ra chậm chạp hiện tại. Thông tin về mười tính chất khác nhau của một vật liệu có thể bị để rải rác ở mười nơi khác nhau. Để đưa chúng cùng nhau về một chỗ, Ceder và các đồng nghiệp của ông, liên kết cùng với Phòng Thí nghiệm Quốc gia Lawrence Berkeley (National Laboratory), cuối năm vừa rồi đã khai trương một dịch vụ online gọi là Materials Project để lập catalogue các tính chất của các chất. Vào tháng Ba năm nay (2012) nó đã chứa chi tiết của gần 20.000 hợp chất khác nhau.

Cơ sở dữ liệu được thiết kế để cho phép các nhà khoa học nhanh chóng nhận diện các vật liệu phù hợp và tiên đoán chúng có thể phản ứng cùng nhau thế nào. Việc này hứa hẹn sẽ đẩy nhanh sự phát triển các vật liệu mới trong chế tác. Một số chất mới có thể cần một thập niên hay hơn để đạt đến thị trường. “Bởi vì nó kéo dài đến vậy, nên người ta thận trọng về đầu tư vào nó,” Ceder nói. “Cho nên chúng tôi phải làm cho quá trình nhanh hơn.”

Nguyễn Quang A dịch

Đọc thêm:

* Cuộc cách mạng công nghiệp thứ ba
http://tiasang.com.vn/Default.aspx?tabid=114&CategoryID=7&News=5530

* Nhà máy và việc làm: Quay lại việc chế tạo sản phẩm
http://tiasang.com.vn/Default.aspx?tabid=114&CategoryID=7&News=5531

* Lợi thế cạnh tranh: Hiệu ứng boomerang
http://tiasang.com.vn/Default.aspx?tabid=114&News=5547&CategoryID=7

Tác giả