Nhật Bản tạo phát minh "nhẹ hơn 1000 lần" đến khó tin, có thể giúp ngành hàng không tiết kiệm hàng tỷ USD

Nhật Bản tạo ra lớp sơn máy bay nhẹ hơn 1.000 lần

Các nhà nghiên cứu tại Đại học Kobe vừa công bố một loại lớp phủ màu siêu nhẹ làm từ các hạt nano silicon, không cần đến bất kỳ chất tạo màu truyền thống nào, dành cho máy bay.

Điểm đặc biệt là vật liệu này vẫn giữ được màu sắc bền lâu, có độ bóng đẹp, và có thể phủ lên các vật thể ba chiều lớn - điều mà các công nghệ tương tự trước đây chưa làm được trọn vẹn.

Theo tính toán của nhóm phát triển, nếu áp dụng cho một máy bay thân rộng, toàn bộ lớp phủ màu chỉ nặng vài trăm gram, thay vì vài trăm kg như sơn thông thường (nhẹ hơn 1.000 lần).

1. Vấn đề của sơn truyền thống

Màu sắc của sơn thông thường đến từ các hạt pigment - hạt sắc tố, vốn phai dần theo thời gian dưới tác động của ánh sáng.

Để có màu đậm, người ta phải phủ một lớp khá dày, và điều đó đồng nghĩa với việc tăng thêm khối lượng cho sản phẩm. Trong ngành hàng không, đây là vấn đề đặc biệt nghiêm trọng vì chỉ riêng lớp sơn trên một máy bay thân rộng đã có thể nặng tới hàng trăm kg.

2. Giải pháp: Màu sắc từ cấu trúc, không từ hóa chất

Các nhà khoa học Nhật Bản chọn hướng đi khác: Họ tạo màu bằng cấu trúc vật lý, hoàn toàn không chứa chất tạo màu.

Đây là cơ chế tương tự như cách bộ lông công tạo ra những màu sắc rực rỡ. Nghĩa là màu không đến từ sắc tố mà từ cách ánh sáng tương tác với các cấu trúc siêu nhỏ trên bề mặt.

Tuy nhiên, các phiên bản trước đó của công nghệ này thường gặp lỗi: Đổi màu khi nhìn từ góc khác, bề mặt bị mờ đục, hoặc mất hiệu ứng màu sau khi phủ thêm lớp bảo vệ.

Nhóm do PGS. Hiroshi Sugimoto dẫn dắt tiếp tục giải quyết vấn đề này bằng cách bọc các hạt cầu nano silicon trong một lớp vỏ silica (điôxít silic).

Lớp vỏ này vừa bảo vệ hạt, vừa kiểm soát khoảng cách giữa các hạt với nhau, giúp chúng sắp xếp thành một cấu trúc trật tự.

Kết quả là bề mặt phản xạ ánh sáng theo hướng tập trung hơn, tạo độ bóng đẹp mà không bị hiện tượng loang màu theo góc nhìn. Đáng chú ý, chỉ cần một lớp hạt nano là đủ để tạo ra màu sắc phong phú.

3. Ý nghĩa chiến lược cho ngành hàng không

Việc giảm khối lượng lớp sơn từ hàng trăm kg xuống chỉ còn vài trăm gram mang lại những bước tiến mang tính cách mạng cho ngành hàng không, tác động trực tiếp đến kinh tế, môi trường và kỹ thuật vận hành.

Tiết kiệm chi phí nhiên liệu khổng lồ

Nhiên liệu chiếm khoảng 20-40% chi phí vận hành của một hãng hàng không. Việc cắt giảm được 300–500 kg trọng lượng tĩnh trên mỗi máy bay thân rộng (như Boeing 777 hay Airbus A350) giúp tiết kiệm hàng chục nghìn lít nhiên liệu mỗi năm cho mỗi tàu bay. Với một đội bay lớn, con số này đổi thành hàng triệu, thậm chí hàng tỷ USD tiền nhiên liệu tiết kiệm được mỗi năm.

Cắt giảm phát thải carbon

Trong hàng không, giảm trọng lượng đồng nghĩa với giảm mức tiêu thụ nhiên liệu và giảm lượng khí thải ra môi trường. Cắt giảm vài trăm kg trọng lượng sơn giúp giảm hàng trăm tấn phát thải CO2 trong suốt vòng đời hoạt động của một chiếc máy bay, hỗ trợ các hãng hàng không hướng tới mục tiêu Net Zero.

Cải thiện tải trọng thương mại (Payload)

Mỗi kg sơn cắt giảm được có thể chuyển đổi thành kg hàng hóa thương mại (cargo) hoặc hành lý. Việc loại bỏ vài trăm kg trọng lượng vô ích giúp hãng tối ưu hóa tải trọng và tăng doanh thu trên mỗi chuyến bay đường dài.

4. Triển vọng, kế hoạch

Theo Phys.org, kết quả nghiên cứu đã được công bố trên tạp chí Small Structures. Hiện tại, đây vẫn là công nghệ trong phòng thí nghiệm, chưa phải là loại sơn máy bay hoàn chỉnh. Các nhà khoa học dự định mở rộng quy mô sản xuất và bổ sung thêm khả năng cảm biến, quang xúc tác và quản lý năng lượng cho lớp phủ này.

Hơn nữa, các hạt nano được làm từ silicon, một vật liệu không độc hại có nguồn gốc từ ngành công nghiệp bán dẫn, và silica, một trong những vật liệu dồi dào nhất trong vỏ Trái đất. Kết hợp điều này với đặc tính không phai màu, lớp phủ màu có thể trở nên ít tốn tài nguyên hơn nhiều trong tương lai.

Tham khảo: Phys, Kobe University

.