Trong nhiều thập kỷ, năng lượng nhiệt hạch là lời hứa cuối cùng về năng lượng sạch. Đó là quá trình cung cấp năng lượng cho mặt trời, có khả năng tạo ra lượng năng lượng khổng lồ mà không thải ra lượng khí carbon liên quan đến nhiên liệu hóa thạch. Các nhà khoa học đã dành nhiều thế hệ cố gắng tái tạo nó trên Trái đất và tin rằng nếu họ có thể làm cho nó hoạt động trên quy mô lớn thì về cơ bản nó có thể định hình lại tương lai năng lượng của thế giới. Vấn đề là phản ứng tổng hợp cực kỳ khó khăn, không chỉ từ góc độ khoa học mà còn từ góc độ kinh tế. Việc xây dựng và thử nghiệm các lò phản ứng thử nghiệm tốn rất nhiều tiền và quá trình phát triển thường trải qua một chu kỳ thử và sai đầy bực bội. Các nhà nghiên cứu phát triển một lý thuyết, xây dựng phần cứng để kiểm tra nó, thu thập dữ liệu, điều chỉnh thiết kế và lặp lại quy trình. Đôi khi chu kỳ đó phải mất nhiều năm. Giờ đây, một công ty khởi nghiệp Trung Quốc có tên VeloAlpha tin rằng trí tuệ nhân tạo có thể giúp phá vỡ mô hình đó.
Được thành lập vào đầu năm nay bởi nhà khoa học nhiệt hạch Xie Huasheng, công ty có trụ sở tại Bắc Kinh đang phát triển FusionAlpha, một nền tảng mô phỏng cho phép các nhà nghiên cứu thử nghiệm kỹ thuật số các thiết kế lò phản ứng nhiệt hạch trước khi thực hiện các thí nghiệm vật lý đắt tiền. Nghe có vẻ không thú vị bằng một lò phản ứng khổng lồ tạo ra nguồn năng lượng sạch vô hạn. Nhưng nếu công nghệ của VeloAlpha thực hiện được lời hứa của mình, nó có thể giải quyết được một trong những thách thức dai dẳng và tốn kém nhất của phản ứng nhiệt hạch.
Tam giác bất khả thi của ngành công nghiệp nhiệt hạch
Theo Xie, các nhà nghiên cứu nhiệt hạch từ lâu đã mắc kẹt với một sự đánh đổi khó chịu. Phần mềm mô phỏng tiên tiến nhất hiện nay có thể mô hình hóa hoạt động của plasma với độ chính xác vượt trội. Plasma – loại khí tích điện, siêu nhiệt cung cấp nhiên liệu cho các phản ứng nhiệt hạch – nổi tiếng là khó kiểm soát và việc hiểu rõ hành vi của nó là rất quan trọng để thiết kế một lò phản ứng khả thi. Điều đáng chú ý là những mô phỏng này yêu cầu tài nguyên tính toán đáng kể và có thể mất nhiều thời gian để hoàn thành.
Tài liệu phát tay
Ở đầu đối diện của quang phổ là các hệ thống điều khiển AI mới hơn có thể xử lý các phép tính nhanh hơn nhiều. Mặc dù hấp dẫn từ góc độ tốc độ nhưng các nhà nghiên cứu thường vẫn thận trọng vì những công cụ này có thể gặp khó khăn với độ tin cậy và khả năng ngoại suy ngoài dữ liệu mà họ đã được đào tạo. Sau đó, có những mô hình vật lý đơn giản hóa, có hiệu quả tính toán nhưng thường quá thô sơ để hướng dẫn chính xác việc thiết kế các lò phản ứng thế hệ tiếp theo. Xie mô tả đây là “tam giác không thể” của phần mềm tổng hợp: tốc độ, độ chính xác và khả năng dự đoán. Trong lịch sử, các nhà nghiên cứu đã phải hy sinh cái này để đạt được cái khác. Toàn bộ hoạt động kinh doanh của VeloAlpha được xây dựng dựa trên ý tưởng rằng sự đánh đổi này không còn tồn tại nữa.
Video được đề xuất
Công ty tuyên bố rằng những tiến bộ trong trí tuệ nhân tạo, kết hợp với các kỹ thuật toán học mới, có thể tăng tốc đáng kể các mô phỏng mà không phải hy sinh tính chất vật lý cơ bản. Theo Xie, một số bộ phận của FusionAlpha có thể chạy nhanh hơn từ 100 đến 10.000 lần so với các mã tổng hợp hiện đại nhất hiện nay trong khi vẫn duy trì sai số điểm chuẩn dưới 5%. Những tuyên bố đó vẫn cần được xác nhận độc lập, nhưng nếu được giữ vững, chúng sẽ thể hiện một bước nhảy vọt đáng kể cho ngành.
Xây dựng một ngôi sao rất tốn kém
Để hiểu tại sao phần mềm lại quan trọng đến vậy, cần hiểu được những gì các nhà nghiên cứu nhiệt hạch đang cố gắng đạt được. Sự hợp nhất xảy ra khi hạt nhân của các nguyên tử nhẹ va chạm và hợp nhất, giải phóng một lượng năng lượng khổng lồ. Đó chính xác là những gì xảy ra bên trong các ngôi sao. Việc tái tạo các điều kiện đó trên Trái đất đòi hỏi phải đốt nóng nhiên liệu đến nhiệt độ nóng hơn lõi mặt trời, tạo ra plasma sau đó phải được giới hạn và ổn định đủ lâu để các phản ứng nhiệt hạch xảy ra. Hầu hết các nhà nghiên cứu thực hiện điều này bằng cách sử dụng máy gọi là tokamaks – thiết bị hình bánh rán khổng lồ sử dụng từ trường mạnh để chứa plasma. Những người khác đang thử nghiệm các phương pháp thay thế, bao gồm máy sao, thiết bị tuyến tính và hệ thống nhiệt hạch điều khiển bằng laser.
Hình ảnh Shutterstock
Mỗi thiết kế đều có những thách thức kỹ thuật riêng. Các nhà nghiên cứu phải tìm ra cách duy trì các phản ứng, chịu được nhiệt độ cực cao, quản lý bức xạ, đảm bảo nguồn cung cấp nhiên liệu và cuối cùng là tạo ra điện đủ rẻ để cạnh tranh với các nguồn năng lượng hiện có. Không có vấn đề nào trong số đó là không tốn kém để giải quyết. Một cơ sở thử nghiệm duy nhất có thể tiêu tốn hàng trăm triệu, thậm chí hàng tỷ đô la. Ngay cả những thay đổi thiết kế nhỏ hơn cũng thường yêu cầu thử nghiệm và xác nhận rộng rãi. Đó là lý do tại sao phần mềm mô phỏng ngày càng trở nên quan trọng. Các nhà nghiên cứu có thể dự đoán kết quả càng chính xác trước khi xây dựng phần cứng thì họ càng ít lãng phí tiền vào những mục tiêu cuối cùng.
Khoảnh khắc EDA của Fusion
Xie so sánh FusionAlpha với phần mềm tự động hóa thiết kế điện tử (EDA), một công nghệ đã làm thay đổi ngành công nghiệp bán dẫn. Các công ty chip hiện đại không xây dựng bộ xử lý vật lý mỗi khi họ muốn thử nghiệm một ý tưởng mới. Thay vào đó, họ sử dụng các công cụ phần mềm phức tạp để lập mô hình, mô phỏng và tối ưu hóa các thiết kế trước khi gửi chúng đến các nhà máy chế tạo. Nếu không có phần mềm EDA, tốc độ đổi mới chất bán dẫn sẽ chậm hơn đáng kể.
Bapt
VeloAlpha tin rằng phản ứng tổng hợp đang tiến tới một bước ngoặt tương tự. Thay vì chủ yếu dựa vào thử nghiệm vật lý, các công ty nhiệt hạch trong tương lai có thể sử dụng các nền tảng mô phỏng tiên tiến để thử nghiệm hầu như hàng nghìn biến thể thiết kế, xác định các phương pháp đầy hứa hẹn và giảm đáng kể chi phí phát triển. Vì vậy, thế hệ lò phản ứng nhiệt hạch tiếp theo có thể được chế tạo hai lần: đầu tiên là bằng phần mềm, sau đó là bằng thép.
Tại sao thời gian lại quan trọng
Sự xuất hiện của công ty khởi nghiệp này diễn ra vào thời điểm đặc biệt thú vị đối với ngành công nghiệp nhiệt hạch của Trung Quốc. Trong nhiều năm, nghiên cứu nhiệt hạch phần lớn được thúc đẩy bởi chính phủ và các phòng thí nghiệm quốc gia. Điều đó đang bắt đầu thay đổi. Trung Quốc đã xác định phản ứng tổng hợp hạt nhân là một ngành công nghiệp chiến lược trong tương lai, đặt nó cùng với các lĩnh vực như điện toán lượng tử, AI thể hiện, sản xuất sinh học, giao diện não-máy tính và truyền thông 6G. Các nhà đầu tư đã chú ý và đổ tiền vào hệ sinh thái đang phát triển gồm các công ty khởi nghiệp hợp nhất, nhà cung cấp linh kiện và công nghệ hỗ trợ.
Các công ty tập trung vào phát triển lò phản ứng đang thu hút các vòng tài trợ ngày càng lớn, trong khi các doanh nghiệp cung cấp nam châm, vật liệu, hệ thống điện và phần mềm cũng đang nổi lên. VeloAlpha nằm ở giao điểm của hai xu hướng công nghệ lớn nhất thập kỷ: trí tuệ nhân tạo và năng lượng sạch. Công ty gần đây đã nhận được nguồn tài trợ ban đầu từ các nhà đầu tư có vẻ tin rằng tương lai của công nghệ nhiệt hạch sẽ không chỉ được xác định bởi những tiến bộ về phần cứng.
Điều đó không có nghĩa là sự hợp nhất thương mại sắp xảy ra. Ngành công nghiệp này vẫn phải đối mặt với những rào cản kinh tế và kỹ thuật to lớn, và nhiều chuyên gia tin rằng năng lượng nhiệt hạch thực tế vẫn còn phải mất nhiều năm, thậm chí nhiều thập kỷ nữa. Nhưng khi lĩnh vực này trở nên cạnh tranh hơn, những công ty có khả năng lặp lại nhanh nhất có thể đạt được lợi thế đáng kể. Và đó là lúc phần mềm có thể trở nên quan trọng như chính các lò phản ứng. Trong nhiều năm, thách thức lớn nhất của ngành công nghiệp nhiệt hạch là tìm ra những gì cần xây dựng. Nếu AI có thể giúp trả lời câu hỏi đó nhanh hơn và chính xác hơn thì con đường hướng tới sự hợp nhất thương mại có thể đột nhiên ngắn hơn một chút.
Nguồn DigitalTrend