Lò Mặt Trời Odeillo ở dãy Pyrenees, miền nam nước Pháp, là một trong những lò Mặt Trời lớn nhất thế giới, hoạt động từ năm 1970. Lò dùng 63 gương phẳng xoay theo Mặt Trời để hắt nắng lên một gương lõm khổng lồ rộng khoảng 54 m, gom ánh sáng vào một vùng chỉ vài chục centimét và đạt nhiệt độ trên 3.000 °C, nhiều tài liệu ghi tới khoảng 3.500 °C. Nhiệt ấy đủ nung chảy hầu hết vật liệu, kể cả gốm chịu lửa, mà không cần nhiên liệu hay điện cực nào.
Lò Mặt Trời Odeillo trông ra sao và nằm ở đâu?
Lò nằm ở Font-Romeu-Odeillo-Via, tỉnh Pyrénées-Orientales, gần biên giới Tây Ban Nha, ở độ cao khoảng 1.500 m. Từ xa, thứ gây ấn tượng nhất là mặt gương cong khổng lồ phủ kín một mặt toà nhà, rộng khoảng 54 m, cao khoảng 48 m, ghép từ gần mười nghìn tấm gương nhỏ. Mặt gương phản chiếu bầu trời, rừng thông và các dãy núi xung quanh, nên nhìn như một bức tranh lồi lõm.
Phía trước, trên sườn đồi xếp thành tám bậc, là 63 tấm gương phẳng lớn gọi là gương định nhật (heliostat). Mỗi tấm tự xoay theo Mặt Trời suốt ngày để luôn hắt ánh nắng song song về phía gương lõm. Gương lõm có hình parabol, nên mọi tia nắng song song chiếu vào sẽ cùng gặp nhau ở một tiêu điểm, cách mặt gương khoảng 18 m, nằm trong một toà tháp. Tại đó, nhà khoa học đặt mẫu vật liệu cần nung.
Lò do Trung tâm Nghiên cứu Khoa học Quốc gia Pháp (CNRS) xây dựng trong thập niên 1960 và vận hành từ năm 1970. Người đi đầu là nhà hoá học Félix Trombe, người trước đó đã dựng lò Mặt Trời thử nghiệm đầu tiên ở Mont-Louis gần đó năm 1949. Lò nhỏ Mont-Louis đến nay vẫn còn và đón khách tham quan.
Vì sao gom nắng lại nóng được tới hơn 3.000 °C?
Ánh nắng tới mặt đất vào một ngày quang đãng mang khoảng 1.000 oát trên mỗi mét vuông. Đủ để làm ấm mái tôn, chưa đủ để làm chảy gì. Nhưng nếu gom ánh nắng của hàng nghìn mét vuông gương vào một vùng nhỏ, mật độ năng lượng tăng lên hàng nghìn lần. Ở Odeillo, các tài liệu kỹ thuật ghi công suất nhiệt khoảng một megaoát và mức hội tụ tới cỡ một vạn lần ánh nắng thường.
Vật đặt ở tiêu điểm hấp thụ năng lượng ấy và nóng lên cho tới khi lượng nhiệt nó mất đi (chủ yếu bằng bức xạ) cân bằng với lượng nhiệt nhận vào. Với mức hội tụ như vậy, điểm cân bằng nằm trên 3.000 °C. Đối chiếu với bảng điểm nóng chảy:
| Vật liệu | Điểm nóng chảy (khoảng) | Ở tiêu điểm Odeillo |
|---|---|---|
| Sắt | 1.538 °C | Chảy |
| Titan | 1.668 °C | Chảy |
| Nhôm ôxít (gốm alumina) | khoảng 2.070 °C | Chảy |
| Zirconi ôxít (gốm zirconia) | khoảng 2.700 °C | Chảy |
| Vonfram | khoảng 3.422 °C | Gần ngưỡng, tuỳ điều kiện |
Có một giới hạn mà không lò Mặt Trời nào vượt qua được: theo định luật thứ hai của nhiệt động lực học, gom ánh sáng bằng gương và thấu kính không thể làm vật nóng hơn bề mặt của chính Mặt Trời, khoảng 5.500 °C. Trên thực tế, gương không hoàn hảo, khí quyển hấp thụ một phần, nên lò thật còn cách giới hạn ấy khá xa.
Vì sao lại xây ở vùng núi Pyrenees?
Chọn chỗ đặt lò Mặt Trời cũng như chọn chỗ đặt đài thiên văn. Vùng Cerdagne quanh Odeillo có nhiều ngày nắng trong năm, mây ít, không khí khô và trong. Ở độ cao khoảng 1.500 m, lớp khí quyển phía trên mỏng hơn, ít hơi nước và bụi hơn, nên ánh nắng tới mặt gương mạnh và đều. Nắng trực tiếp quan trọng hơn nắng nóng: một ngày se lạnh nhưng trời trong vắt tốt cho lò hơn một ngày oi bức mà trời mù hơi nước, vì gương chỉ hội tụ được tia nắng chiếu thẳng.
Người ta dùng lò Mặt Trời để làm gì?
Lò Mặt Trời có những ưu điểm mà lò điện hay lò đốt không có:
- Nhiệt sạch: không có ngọn lửa, khí đốt hay điện cực chạm vào mẫu. Vật liệu cần độ tinh khiết cao không bị nhiễm bẩn.
- Nóng lên và tắt cực nhanh: chỉ cần mở hay đóng cửa chớp chắn trước tiêu điểm, nhiệt độ mẫu tăng vọt hay giảm trong vài giây. Rất hợp cho thí nghiệm sốc nhiệt.
- Nhiệt độ rất cao trong không khí, chân không hoặc khí bảo vệ: tuỳ buồng đặt mẫu.
Nhờ vậy, Odeillo được dùng để thử vật liệu cho tấm chắn nhiệt của tàu vũ trụ khi lao vào khí quyển, thử gốm và hợp kim chịu nhiệt cho động cơ, lò phản ứng, nghiên cứu cách nấu chảy và kết tinh các loại gốm chịu lửa, và thử các chu trình hoá học dùng nhiệt Mặt Trời để tách nước sinh ra hiđrô. Phòng thí nghiệm vận hành lò hiện nay thuộc CNRS, nghiên cứu về vật liệu và năng lượng Mặt Trời.
Ý tưởng dùng gương, thấu kính gom nắng để nung vật liệu không mới. Thế kỷ 18, nhà hoá học Antoine Lavoisier đã dùng thấu kính lớn hội tụ ánh nắng để đốt cháy kim cương, góp phần chứng minh kim cương là một dạng cacbon. Odeillo là phiên bản công nghiệp hoá của cùng một nguyên lý quang học.
Điện mặt trời hội tụ khác gì tấm pin mặt trời?
Lò Odeillo là lò thí nghiệm, không phát điện. Nhưng cùng ý tưởng gom nắng được dùng trong các nhà máy điện mặt trời hội tụ. Khác với tấm pin quang điện biến ánh sáng thẳng thành điện, nhà máy hội tụ biến ánh sáng thành nhiệt trước, rồi dùng nhiệt đun hơi chạy tuabin như nhà máy nhiệt điện.
Kiểu phổ biến là nhà máy tháp: hàng nghìn gương định nhật bao quanh một tháp cao, hắt nắng lên bộ thu nhiệt trên đỉnh. Chất mang nhiệt thường là muối nóng chảy, hỗn hợp khoảng 60% natri nitrat và 40% kali nitrat. Hỗn hợp này nóng chảy ở khoảng 220 °C và được vận hành ở dải khoảng 290–565 °C. Muối nóng được trữ trong bồn cách nhiệt lớn, nên nhà máy vẫn phát điện nhiều giờ sau khi Mặt Trời lặn.
Ở đây, điểm nóng chảy là chuyện sống còn của vận hành. Nếu muối nguội xuống dưới điểm chảy, nó đông cứng trong ống dẫn và làm tắc cả hệ thống. Vì vậy các nhà máy phải giữ ấm đường ống suốt đêm và có quy trình xả muối cẩn thận khi dừng máy. Người làm luyện kim sẽ thấy quen: giữ cho chất lỏng nóng luôn ở thể lỏng tới đúng chỗ cần dùng là một nửa công việc.
Tây Ban Nha, Mỹ, Maroc, Trung Đông, Trung Quốc đều có nhà máy hội tụ quy mô lớn. Ở Việt Nam, điện mặt trời hiện chủ yếu là tấm quang điện, phát triển mạnh ở các tỉnh nắng nhiều ven biển Nam Trung Bộ; công nghệ hội tụ nhiệt hầu như chưa có dự án thương mại.
Vì sao không nên tự gom nắng bằng kính lúp, thấu kính lớn?
Trên mạng có nhiều video dùng thấu kính Fresnel tháo từ tivi cũ hay gương lõm để làm cháy gỗ, làm chảy kim loại. Đây là việc nguy hiểm, vì ba lẽ:
- Mắt: điểm hội tụ sáng chói, nhìn trực tiếp có thể gây tổn thương võng mạc vĩnh viễn trong thời gian ngắn. Ánh phản xạ từ gương lớn cũng chói hại mắt.
- Bỏng và cháy: tiêu điểm đủ nóng làm bỏng da tức thì và bắt lửa cỏ khô, rèm, mái lá; một thấu kính bỏ quên ngoài nắng có thể gây cháy.
- Kim loại nóng chảy: kim loại lỏng bắn ra khi gặp ẩm, sinh khói độc với kim loại mạ, chì, kẽm — như mọi việc nấu chảy kim loại ngoài xưởng có bảo hộ.
Lò Odeillo có kính lọc, quy trình an toàn và đội ngũ kỹ thuật cho từng thí nghiệm. Muốn thấy sức mạnh của nắng hội tụ, cách tốt nhất là đi xem tận nơi: khu khách tham quan ở Odeillo và lò nhỏ Mont-Louis đều mở cửa, có phần trình diễn và giải thích bằng nhiều ngôn ngữ.
Câu hỏi thường gặp
Lò Mặt Trời Odeillo nóng bao nhiêu độ?
Tiêu điểm của lò đạt trên 3.000 °C, nhiều tài liệu ghi tới khoảng 3.500 °C. Mức ấy đủ làm chảy sắt, titan và cả gốm chịu lửa như alumina, zirconia.
Lò Mặt Trời Odeillo hoạt động từ năm nào?
Lò được xây dựng trong thập niên 1960 và chính thức hoạt động từ năm 1970. Trước đó, năm 1949, nhóm của nhà hoá học Félix Trombe đã dựng lò Mặt Trời thử nghiệm ở Mont-Louis gần đó.
Lò Mặt Trời hoạt động theo nguyên lý nào?
Các gương phẳng xoay theo Mặt Trời hắt ánh nắng song song lên một gương lõm hình parabol. Gương parabol hội tụ toàn bộ ánh sáng vào một tiêu điểm nhỏ, nơi mật độ năng lượng cao gấp hàng nghìn lần ánh nắng thường.
Lò Mặt Trời có thể nóng hơn bề mặt Mặt Trời không?
Không. Theo định luật thứ hai của nhiệt động lực học, hội tụ ánh sáng không thể làm vật nóng hơn nguồn phát ra ánh sáng đó, tức khoảng 5.500 °C của bề mặt Mặt Trời. Lò thật còn thấp hơn nhiều vì tổn thất của gương và khí quyển.
Muối nóng chảy trong nhà máy điện mặt trời là gì?
Thường là hỗn hợp khoảng 60% natri nitrat và 40% kali nitrat, nóng chảy ở khoảng 220 °C, dùng để hấp thu và trữ nhiệt ở khoảng 290–565 °C. Nhờ bồn muối nóng, nhà máy điện mặt trời hội tụ vẫn phát điện sau khi trời tối.
