 |
| Liệu bạn có biết rằng các kỹ sư từng cân nhắc chế tạo động cơ dùng thuốc súng làm nhiên liệu? |
Từ rất lâu trước khi xăng và dầu diesel trở thành nhiên liệu phổ biến cho ô tô, các nhà phát minh đã thử nghiệm nhiều nguồn năng lượng khác nhau để tạo chuyển động cho piston và sinh ra công cơ học. Trong số đó có một ý tưởng mà giờ đây khó ai nghĩ đến: Sử dụng thuốc súng, loại chất nổ vốn được dùng trong súng và pháo, để làm nhiên liệu cho động cơ. Trên mặt kỹ thuật, điều này hoàn toàn khả thi, nhưng tính chất dễ nổ và hiệu suất thấp của thuốc súng khiến nó không bao giờ trở thành một giải pháp thực tế cho động cơ.
Lịch sử dài của động cơ dùng thuốc súng
Ý tưởng về động cơ piston đã xuất hiện từ nhiều thế kỷ trước, với những khái niệm cơ học sơ khai có thể truy ngược về thế kỷ 15. Ngay cả Leonardo da Vinci cũng từng phác thảo nhiều thiết kế cơ khí có nguyên lý tương tự piston. Trong suốt nhiều thế kỷ sau đó, các kỹ sư đã thử nghiệm đủ loại nhiên liệu và nguồn năng lượng để vận hành động cơ, từ hơi nước, khí đốt cho đến nhiên liệu lỏng.
Một trong những vật liệu được cân nhắc từ rất sớm chính là thuốc súng. Về mặt lý thuyết, quá trình cháy của thuốc súng tạo ra lượng khí giãn nở rất nhanh, có thể đẩy piston và tạo ra công cơ học. Tuy nhiên trên thực tế, thuốc súng lại khó kiểm soát và kém hiệu quả so với các loại nhiên liệu ra đời sau này. Đặc tính dễ phát nổ của nó cũng khiến áp suất sinh ra khó kiểm soát, và không phù hợp cho hoạt động liên tục của động cơ.
Những thử nghiệm đầu tiên với động cơ dùng thuốc súng
 |
| Mô hình động cơ sử dụng thuốc súng của nhà khoa học Hà Lan Christiaan Huygens |
Một trong những khái niệm động cơ đốt trong sớm nhất được cho là do nhà khoa học Hà Lan Christiaan Huygens đề xuất vào năm 1673. Thiết kế của ông sử dụng thuốc súng làm nguồn năng lượng. Hệ thống bao gồm một xi-lanh thẳng đứng với piston bên trong. Khi thuốc súng được đốt cháy ở đáy xi-lanh, khí sinh ra sẽ đẩy piston đi lên.
Khi khí nóng nguội dần và áp suất giảm, áp suất khí quyển sẽ đẩy piston đi xuống trở lại. Chuyển động này được truyền qua dây và ròng rọc để nâng vật nặng hoặc thực hiện một số công việc cơ học đơn giản. Mặc dù mang tính đột phá vào thời điểm đó, nhưng động cơ của Huygens khá kém hiệu quả và chỉ tạo ra công suất rất hạn chế. Tuy vậy, nó đã đặt nền móng cho nguyên lý động cơ đốt trong sau này.
Hơn một thế kỷ sau, kỹ sư người Anh và cũng là một trong những người đặt nền móng cho ngành hàng không hiện đại, George Cayley, đã phát triển một thiết kế động cơ dùng thuốc súng khác vào năm 1807. Thiết kế của Cayley sử dụng hai xi-lanh đặt chồng lên nhau: buồng dưới lớn hơn chứa thuốc súng, còn xi-lanh phía trên nhỏ hơn chứa piston. Một thanh kim loại được nung nóng sẽ kích hoạt quá trình cháy của thuốc súng, tạo ra khí giãn nở đẩy piston lên trên.
Lúc đó, Cayley đã hi vọng tìm ra một nguồn động lực đủ nhẹ để có thể sử dụng cho máy bay trong tương lai. Tuy nhiên, những hạn chế và tính khó kiểm soát của thuốc súng khiến ông cuối cùng từ bỏ ý tưởng này để chuyển sang các hướng thiết kế khác.
Những thử nghiệm hiện đại
Video kênh YouTube "Warped" thử nghiệm vận hành động cơ bằng thuốc súng hồi năm 2020
Trong thế kỷ 21, ý tưởng về động cơ chạy bằng thuốc súng thỉnh thoảng vẫn được nhắc lại như một dạng thử nghiệm kỹ thuật. Năm 2006, chương trình khoa học nổi tiếng “MythBusters” từng thử chế tạo một động cơ chạy bằng thuốc súng, nhưng nhóm thực hiện không thể tạo ra một thiết kế hoạt động ổn định.
Đến năm 2007, kỹ sư cơ khí Charlie Macklin được cho là đã vận hành thành công một động cơ nhỏ sử dụng thuốc súng với các video đăng tải trên YouTube. Thay vì dùng bột thuốc súng mịn, ông sử dụng các khối thuốc súng tự chế có kích thước lớn hơn để làm quá trình cháy diễn ra chậm hơn, tạo ra dòng khí ổn định hơn thay vì một vụ nổ tức thời. Lượng khí sinh ra từ quá trình cháy này được dùng để vận hành một cơ cấu động cơ hơi nước nhỏ. Tuy vậy, hệ thống này chủ yếu mang tính thử nghiệm hơn là một thiết kế có thể ứng dụng thực tế.
Vì sao động cơ dùng thuốc súng không khả thi
 |
| Quá trình thử nghiệm thực tế cho thấy thuốc súng ẩn chứa nhiều rủi ro nguy hiểm để làm nhiên liệu động cơ phổ thông |
Dù cho đã được thử nghiệm trong nhiều thế kỷ, thuốc súng vẫn có nhiều hạn chế lớn khi được dùng làm nhiên liệu cho động cơ. Một trong những vấn đề quan trọng nhất là mật độ năng lượng. Thuốc súng chỉ tạo ra khoảng 3 megajoule năng lượng trên mỗi kilogram, trong khi xăng và dầu diesel lần lượt đạt khoảng 46 MJ/kg và 45 MJ/kg. Điều này có nghĩa là nhiên liệu truyền thống cung cấp năng lượng nhiều hơn rất nhiều với cùng khối lượng.
Bên cạnh đó là vấn đề kiểm soát quá trình cháy. Nếu thuốc súng cháy đủ chậm để tránh gây ra áp suất quá lớn, lượng năng lượng tạo ra lại khá thấp. Ngược lại, nếu cháy nhanh, áp suất tăng đột ngột có thể phá hủy động cơ.
Hơn nữa, công việc bảo quản và sử dụng thuốc súng cũng không đơn giản. Đây là vật liệu dễ cháy nổ nên phải được sản xuất và lưu trữ rất cẩn thận để tránh tai nạn. Ngoài ra, thuốc súng còn có tính hút ẩm, nghĩa là nó dễ hấp thụ hơi nước từ không khí. Điều này có thể làm thay đổi đặc tính cháy và giảm hiệu suất theo thời gian nếu không được bảo quản trong điều kiện kín.
Một ý tưởng thú vị nhưng không thực tế
Động cơ chạy bằng thuốc súng là một chương khá thú vị trong lịch sử phát triển công nghệ động cơ. Các nhà phát minh ban đầu quan tâm đến ý tưởng này vì thuốc súng có thể tạo ra lượng khí giãn nở rất nhanh, đủ để đẩy piston và tạo ra công cơ học.
Tuy nhiên, sự kết hợp giữa mật độ năng lượng thấp, quá trình cháy khó kiểm soát và việc sử dụng phức tạp khiến thuốc súng kém xa các loại nhiên liệu lỏng như xăng và dầu diesel. Khi công nghệ động cơ đốt trong phát triển, những loại nhiên liệu này đã nhanh chóng trở thành lựa chọn hiệu quả và đáng tin cậy hơn nhiều.
Ngày nay, thuốc súng vẫn được sử dụng rộng rãi trong vũ khí, thuốc nổ và một số công cụ công nghiệp đặc biệt, nhưng vai trò của nó trong công nghệ động cơ chủ yếu chỉ còn mang ý nghĩa lịch sử và thử nghiệm.
Duy Thành
Copy link
