[비즈한국] Một chiếc ô tô chạy lên đường dốc rồi bám ngược trên trần nhà và tiếp tục di chuyển. Sau đó, nó bật nhảy lên không trung, xoay thân xe rồi đáp xuống mặt đất. Dù trông như một cảnh quay trong phim, nhưng đây là màn trình diễn thực tế của thế hệ Roadster mới được Tesla công bố tại Texas, Mỹ vào ngày 15 tháng 10 (giờ địa phương). Tesla cũng tiết lộ rằng chiếc xe này có khả năng tăng tốc từ 0 lên 60 dặm/giờ (khoảng 97 km/h) chỉ trong vòng 0,81 giây. Bí quyết giúp chiếc xe chuyển động như vậy không chỉ nằm ở mô-tơ điện mạnh mẽ hơn. Tesla đã trang bị cho chiếc xe một chiếc quạt giúp hút không khí để giữ chặt thân xe xuống mặt đất và các bộ đẩy (thruster) phun khí áp suất cao giống như trên tàu vũ trụ. Có thể nói, họ đã vượt qua giới hạn của "lực ma sát giữa lốp xe và mặt đường" – điều mà ô tô đã phụ thuộc suốt hơn 100 năm qua – bằng một phương pháp kỹ thuật khác.
Thế hệ Roadster mới mà Tesla công bố được chia thành ba phiên bản: Performance (Hiệu suất), Thrust (Lực đẩy) và Rocket (Tên lửa). Bản Performance là dòng xe dùng cho đường bộ với hai chỗ ngồi, sử dụng các thiết bị khí động học chủ động và hệ thống hút chân không dưới gầm xe. Bản Thrust được bổ sung thêm các bộ đẩy khí lạnh ở phía sau. Bản cao cấp nhất là Rocket, thay vì giữ nguyên số lượng ghế, xe được bố trí các bộ đẩy khắp thân xe để cho phép di chuyển lên xuống, trái phải và thậm chí là xoay tròn trên không. Tesla cho biết thời gian tăng tốc 0-60mph của bản Thrust là dưới 0,9 giây, còn bản Rocket – không được cấp phép lưu thông trên đường phố thông thường – là dưới 0,59 giây. Thời gian dự kiến sản xuất hàng loạt là năm 2028.
Phóng thích khí nén thay vì nhiên liệu
Nguyên lý giúp Roadster bay lên không trung khá đơn giản. Một thiết bị gọi là "bộ đẩy khí lạnh" (cold-gas thruster) sẽ phun nhanh lượng khí đã được nén ở áp suất cao thông qua vòi phun. Khác với động cơ tên lửa thông thường vốn đốt cháy nhiên liệu và chất oxy hóa để tạo ra khí cháy nóng, thiết bị này không cần quá trình đốt cháy. Khí nén được lưu trữ giãn nở và thoát ra ngoài vòi phun, phản lực từ đó đẩy chiếc xe chuyển động theo hướng ngược lại. Đây chính là việc ứng dụng Định luật III Newton vào ô tô.
Khi phun khí ra sau, xe tiến về phía trước; khi phun xuống dưới, xe bay lên. Bằng cách điều chỉnh lượng phun từ các vòi đặt ở phía trước, sau hoặc hai bên thân xe, người ta có thể xoay chiếc xe trên không. Cơ chế này tương tự với Hệ thống điều khiển phản lực (RCS) mà tàu vũ trụ sử dụng để thay đổi hướng và tư thế trong không gian. Trên thực tế, công ty vũ trụ SpaceX của Elon Musk đã tham gia vào việc phát triển chiếc Roadster này. Ở mẫu Rocket được công bố, các vòi phun hướng xuống tạo lực đẩy thẳng đứng và các vòi phun điều hướng đã được bổ sung.
Thiết bị dùng để lưu trữ lượng khí này là COPV (Composite Overwrapped Pressure Vessel - Bình chịu áp lực bọc vật liệu composite). Đây là công nghệ quấn vật liệu composite cường độ cao như sợi carbon quanh lớp lót kim loại hoặc kín khí để chịu được áp suất cực lớn mà vẫn giảm thiểu trọng lượng, vốn được sử dụng rộng rãi trong các tên lửa vũ trụ. Theo xác nhận của MotorTrend tại hiện trường, bình chịu áp lực của mẫu Thrust có dung tích khoảng 200 lít và sử dụng áp suất tối đa lên đến 10.000 psi, tương đương khoảng 69 MPa. Các vật liệu như titan và Inconel cũng được sử dụng trong đường ống dẫn nối giữa bình áp lực và vòi phun. Để tránh việc thân xe bị xoay do lệch lực đẩy khi khí không đến bốn vòi phun phía sau cùng lúc, các đường ống đã được thiết kế với độ dài bằng hệt nhau.
Vấn đề là khí nén không thể được sử dụng vô hạn. Lực đẩy tỉ lệ thuận với tích số của khối lượng khí phun ra trong mỗi đơn vị thời gian và tốc độ phun. Để nâng một chiếc xe nặng gần hàng nghìn kg, cần một lượng khí khổng lồ được giải phóng trong thời gian ngắn. Ví dụ, nếu xe nặng 1700kg, chỉ riêng việc giữ xe lơ lửng trên mặt đất đã cần lực đẩy thẳng đứng khoảng 16,7kN. Để tăng tốc nhanh hướng lên trên, cần lực đẩy lớn hơn nữa. Do đó, việc "bay" của Roadster không giống như bay hàng chục km bằng eVTOL sử dụng cánh quạt, mà giống như việc sử dụng tập trung khí nén trong vài giây để bật nhảy và thay đổi tư thế.
Bí quyết chạy ngược trên trần nhà chính là nguyên lý "máy hút bụi"
Song song với công nghệ giúp Roadster bay lên, kỹ thuật giữ chặt xe xuống mặt đất theo cách ngược lại cũng thú vị không kém. Một chiếc quạt tốc độ cao được lắp dưới gầm xe. Bằng cách hút không khí giữa thân xe và mặt đường, quạt làm giảm áp suất dưới gầm, tạo ra sự chênh lệch so với áp suất khí quyển phía trên xe. Sự chênh lệch áp suất này tác động lên toàn bộ diện tích gầm xe rộng lớn, ép chiếc xe xuống mặt đường.
Nguyên lý là "Chênh lệch áp suất × Diện tích". Cánh gió sau hay bộ khuếch tán của các siêu xe thể thao thông thường cũng sử dụng dòng khí để tạo lực ép xuống, nhưng chỉ phát huy tác dụng khi tốc độ đủ cao. Chiếc quạt này thì khác, nó có thể quay mô-tơ ngay cả khi xe đứng yên để giảm áp suất dưới gầm. Tesla giải thích rằng hệ thống hút của Roadster có thể tạo ra lực tương đương khoảng 2G. Đây là lý do tại sao trong màn trình diễn, chiếc Roadster có thể leo lên đường dốc và tiếp tục chạy trong tư thế bị treo ngược mà bánh xe vẫn bám chặt mặt đường.
Ví dụ, nếu xe có thể hút thân xe xuống mặt đường với lực 2G, thì khi bị treo ngược hoàn toàn, trừ đi 1G trọng lực, về lý thuyết xe vẫn có thể tạo lực ép lốp xuống mặt đường tương đương khoảng 1G. Tuy nhiên, khi xe rời xa mặt đường, hiệu suất của quạt sẽ giảm đột ngột do cần có không gian để duy trì sự chênh lệch áp suất giữa gầm xe và mặt đường. Cuối cùng, cấu trúc ở đây là: khi ở trên mặt đất, chiếc quạt giữ xe lại; còn khi rời khỏi mặt đất, các bộ đẩy khí lạnh sẽ tiếp quản vai trò đó.
Nút thắt cổ chai về tốc độ của xe điện không phải là mô-tơ, mà là lốp xe
Lý do Tesla chế tạo những thiết bị phức tạp như vậy liên quan đến vấn đề mà các xe điện hiệu suất cao hiện nay đang phải đối mặt. Công suất của mô-tơ điện đã đủ mạnh, vấn đề nằm ở lốp xe truyền lực đó xuống mặt đường. Tối giản hóa thì lực tối đa mà lốp xe có thể truyền xuống đường khó lòng vượt quá "μN", trong đó μ là hệ số ma sát và N là lực ép lốp xe xuống đường. Dù có tăng công suất mô-tơ đến đâu, nếu lốp xe trượt thì xe không thể tăng tốc nhanh hơn nữa.
Chiếc quạt của Roadster tăng N một cách nhân tạo bằng cách ép mạnh xe xuống mặt đường, từ đó tăng lực mà lốp xe có thể truyền đi. Các bộ đẩy khí lạnh còn quyết liệt hơn: chúng đẩy trực tiếp thân xe về phía trước mà không thông qua lốp xe. Ngay cả khi độ bám của lốp đã đạt giới hạn, các bộ đẩy vẫn có thể tạo thêm lực tăng tốc. Trong khi các loại ô tô truyền thống cố gắng đẩy lùi giới hạn ma sát bằng lốp tốt hơn, dẫn động bốn bánh, điều hướng mô-men xoắn và thiết bị khí động học, thì Tesla chọn cách lấy một phần lực đẩy từ các thiết bị không liên quan đến mặt đường.
Khả năng tăng tốc 0-60mph trong 0,81 giây mà Tesla công bố cho thấy sự khác biệt này một cách kịch tính hơn. 60 dặm/giờ tương đương khoảng 26,8 m/s. Để đạt được vận tốc này trong 0,81 giây, gia tốc trung bình phải đạt khoảng 33,1 m/s², gấp khoảng 3,37 lần gia tốc trọng trường. MotorTrend phân tích rằng nếu giả định trọng lượng xe khoảng 3750 pound (1700kg), mô-tơ điện bánh sau tận dụng lực ép xuống của quạt để tạo lực đẩy khoảng 32,3kN và bộ đẩy thêm vào khoảng 19,8kN, thì mức tăng tốc 0,8 giây là khả thi. Tuy nhiên, 0,81 giây là con số do Tesla công bố trong màn trình diễn, chưa phải là kỷ lục chính thức được các cơ quan độc lập đo lường.
Khí nén có thể được nạp lại sau khi sử dụng. Không giống như tên lửa hóa học cần nạp nhiên liệu đặc biệt từ bên ngoài, Roadster sử dụng máy nén điện để nén không khí trở lại. Suy cho cùng, điểm xuất phát của năng lượng là pin của Roadster. Cấu trúc là dùng năng lượng điện từ pin để chạy máy nén, lưu trữ dưới dạng khí nén áp suất cao rồi giải phóng trong thời gian ngắn khi cần thiết. Nếu xét về hiệu suất năng lượng, phương pháp này bất lợi hơn so với việc truyền điện trực tiếp từ pin đến mô-tơ điện. Thay vào đó, nó không đóng vai trò là nguồn năng lượng sử dụng hiệu quả trong thời gian dài, mà là một "bộ tăng áp khí nén" tạo ra công suất cực cao trong vài giây.
Nên hiểu đây là "công nghệ phô diễn" hơn là sản xuất hàng loạt
Cùng với thông báo, Tesla đã bắt đầu nhận đặt trước Roadster. Tuy nhiên, việc nhận đơn đặt hàng và thành công trong sản xuất hàng loạt là hai chuyện khác nhau. Có rất nhiều vấn đề cần giải quyết: đầu tiên là phải bảo vệ an toàn cho bình chịu áp suất siêu cao khoảng 69MPa trong các vụ tai nạn; tiếp theo là các vấn đề an toàn khi có người hoặc xe khác ở hướng phun khí; độ ồn, chấn động khi khí áp suất cao thoát ra khỏi vòi phun và độ bền sau các chu kỳ nạp/xả của bình áp lực cũng cần được kiểm chứng. Mẫu "Rocket" biết bay không chỉ gặp rào cản từ quy định an toàn ô tô mà còn liên quan đến lĩnh vực quy định hàng không. Chính Tesla cũng giới thiệu phiên bản Rocket là xe chỉ dành cho khách mời đặc biệt và không được cấp phép lưu thông trên đường phố.
Xét về tính kinh tế, khả năng Roadster trở thành mẫu xe chủ lực của Tesla là rất thấp. Bản thân ông Musk từng đánh giá Roadster là một dự án không có tác động lớn đến lợi nhuận của Tesla. Trong ngành, Roadster được coi là một "halo car" (mẫu xe biểu tượng) nhằm phô diễn năng lực kỹ thuật của nhà sản xuất hơn là vì doanh số. Hiện nay, Tesla đang mở rộng phạm vi kinh doanh sang xe tự lái, robotaxi và robot hình người. Trong tình cảnh đó, rất khó để coi việc phát triển một chiếc xe thể thao siêu hiệu suất với doanh số hạn chế trong suốt 10 năm chỉ vì mục đích thương mại.
Thay vào đó, ý nghĩa của Roadster nằm ở việc nó đã thay đổi các quy tắc trong cuộc đua hiệu suất ô tô. Thời đại động cơ đốt trong, công thức cơ bản để phát triển xe hiệu suất cao là tăng công suất động cơ, cải tiến hộp số, sau đó truyền lực xuống mặt đường thông qua lốp xe, hệ thống treo và khí động học. Thời đại xe điện, việc mô-tơ tạo ra mô-men xoắn khổng lồ trong thời gian ngắn trở nên dễ dàng hơn tương đối, khiến nút thắt dịch chuyển từ nguồn động lực sang lốp xe. Tesla đã mang câu trả lời từ bên ngoài ngành ô tô để giải quyết giới hạn đó. Họ sử dụng quạt hút phát triển từ xe đua để ép lốp chặt xuống đất, và với lực đẩy còn thiếu, họ tự tạo ra bằng bộ đẩy khí lạnh từ công nghệ tàu vũ trụ.
Nói một cách chính xác, Roadster không phải là "chiếc xe bay đến đích" mà chúng ta từng tưởng tượng. Nó không có cánh, không có cánh quạt và cũng không có hệ thống đẩy đủ hiệu quả để duy trì bay dài. Tuy nhiên, Tesla đã phá vỡ tiền đề rằng ô tô chỉ tăng tốc và chuyển hướng thông qua bốn bánh xe. Khi ở dưới đất, nó hút không khí để bám chặt; khi trên không, nó phun khí nén để di chuyển. Có lẽ, công nghệ thú vị nhất mà chiếc Roadster biết bay mang lại không nằm ở chính việc bay, mà ở việc nó đã thoát khỏi biên giới kỹ thuật ô tô để giúp chiếc xe chạy nhanh hơn.