Các nhà nghiên cứu Trung Quốc áp dụng kết quả nghiên cứu siêu thanh để nâng cao tính an toàn cho mạng lưới đường sắt dài nhất, nhanh nhất thế giới.
Theo SCMP, một nhóm các nhà khoa học tham gia vào việc phát triển vũ khí siêu thanh ở Trung Quốc đã tạo ra một cảm biến cơ học có thể tăng cường tính an toàn trên mạng lưới đường sắt cao tốc của nước này – mạng lưới hiện dài nhất và nhanh nhất thế giới.
Công nghệ này dựa trên các cảm biến nhỏ gắn vào bánh xe lửa tốc độ cao để theo dõi sự biến dạng của bánh xe hoặc đường ray, đây là những dữ liệu rất quan trọng để giữ an toàn cho hệ thống và tránh nguy cơ trật bánh.
Theo nhóm nghiên cứu dẫn đầu bởi chuyên gia Feng Xue ở khoa Cơ học rắn tại Học viện Kỹ thuật Hàng không Vũ trụ thuộc Đại học Thanh Hoa, hệ thống đường sắt cao tốc hiện tại chỉ có thể nắm bắt được những thông tin thoáng qua từ các điểm biệt lập.
Họ đề xuất sử dụng công nghệ cảm biến có độ nhạy cao, phù hợp hơn với các điều kiện khắc nghiệt, để thu thập được dữ liệu hoàn chỉnh và liên tục theo mỗi vòng quay của bánh tàu.
Các nhà nghiên cứu cho biết, thiết bị cảm biến này không chỉ có khả năng thu thập các dữ liệu biến dạng bánh xe (điều trước đây bị bỏ qua), mà còn có thể giúp các kỹ sư xác định chính xác những sai sót nhỏ trên đường ray với độ chính xác chưa từng có, nhằm loại bỏ rủi ro ngay từ đầu.
Trung Quốc vận hành mạng lưới đường sắt cao tốc phức tạp nhất thế giới và có thành tích an toàn vượt qua cả ngành hàng không thương mại, không có trường hợp hành khách nào thiệt mạng do tai nạn tàu cao tốc trong thập kỷ qua.
Toàn bộ mạng lưới đường sắt rộng lớn của Trung Quốc đã dài hơn cả đường xích đạo, năm tới sẽ đón thế hệ tàu cao tốc mới với tốc độ tối đa tăng từ 350 km/h lên 400 km/h.
“Vận hành một mạng lưới đường sắt cao tốc rộng lớn như vậy, việc đảm bảo an toàn cho tàu hỏa và cắt giảm chi phí bảo trì là những yếu tố then chốt trong lĩnh vực vận tải đường sắt”, Feng và các đồng nghiệp của ông cho biết trong báo cáo.
“Khi kết hợp với công nghệ cảm biến mới này, chúng tôi có thể theo dõi liên tục thời gian thực của lực tác động giữa bánh xe tàu cao tốc và đường ray. Đây là một bước ngoặt cho thế hệ tàu cao tốc tiếp theo của Trung Quốc”, nhóm nghiên cứu cho biết thêm.
Trong quá trình thiết kế các cảm biến diện tích lớn phù hợp với bánh xe tàu cao tốc, nhóm của Feng cũng gặp phải một số trở ngại, đặc biệt là cần phải cân bằng giữa khả năng sản xuất hàng loạt, chi phí thấp với hiệu suất vượt trội.
Theo bài báo, các nhà nghiên cứu đã tận dụng lại các tấm bán dẫn silicon thông dụng – phần quan trọng nhất của sản xuất chip – làm nền tảng cho các cảm biến. Chúng được phủ một lớp vàng mỏng.
Mặc dù vàng đắt, nhóm nghiên cứu đã duy trì chi phí ở mức chấp nhận được, bằng cách sử dụng nó với độ dày rất nhỏ cho mỗi tấm bán dẫn – chỉ bằng một phần nhỏ của sợi tóc, được khắc các họa tiết cảm biến phức tạp bằng thiết bị quang khắc tiêu chuẩn.
Những cấu trúc cực nhỏ này bao gồm nhiều lớp hợp chất và kim loại, có khả năng thay đổi điện trở khi chịu các biến đổi áp suất. Khi một dòng điện đi qua các lớp này, phản ứng của chúng sẽ tạo ra các tín hiệu cho biết bất kỳ biến dạng nào trong hoạt động của bánh xe.
“Các thí nghiệm tải trọng thẳng đứng của chúng tôi cho thấy thiết bị cảm biến không chỉ có độ tuyến tính mạnh mẽ, mà còn cực kỳ ổn định cùng khả năng lặp lại vượt trội trong điều kiện tải trọng theo chu kỳ”, các nhà nghiên cứu viết.
Feng và nhóm của ông cho biết trong các ứng dụng thực tế, cảm biến có thể được kết hợp với công nghệ đo từ xa không dây có độ ồn thấp để gửi tín hiệu lực bánh xe đến thiết bị đầu cuối phân tích dữ liệu.
Nhà khoa học Feng Xue hiện cũng đang dẫn đầu một dự án do Quỹ Khoa học tự nhiên quốc gia Trung Quốc tài trợ liên quan đến cảm biến dành cho các phương tiện siêu thanh tầng không gian thấp, có thể “xé toạc bầu trời” với tốc độ nhanh hơn bảy lần so với vận tốc âm thanh.
Nhiệt độ và áp suất cực cao trong quá trình bay siêu thanh có thể làm biến dạng phương tiện, đây là hiện tượng mà nhóm của Feng đang tập trung khắc phục, tập trung vào cơ chế hỏng hóc của vật liệu rắn và cấu trúc trong những môi trường đặc thù này.
Các nghiên cứu của nhóm siêu thanh đòi hỏi một số bài đánh giá khắt khe, buộc các nhà nghiên cứu phải chế tạo các cảm biến linh hoạt, có thể mở rộng và hoạt động trong những môi trường khắc nghiệt nhất.
Mặc dù Trung Quốc đã đầu tư đáng kể vào việc phát triển các phương tiện siêu thanh, nhưng những công nghệ tiên tiến này phần lớn vẫn chỉ được giới hạn trong các ứng dụng quân sự.
Tuy nhiên, ngày càng nhiều nhà khoa học và kỹ sư tham gia vào nghiên cứu siêu thanh của Trung Quốc tin rằng những tiến bộ này sẽ dần dần được chuyển giao cho các ứng dụng dân dụng và đưa ngành sản xuất của Trung Quốc lên một tầm cao mới.
T.P