Đăng ký thành viên

Robot giống giun lắp đặt đường dây điện ngầm

Phương pháp lấy cảm hứng từ sinh học giúp đơn giản hóa việc xây dựng ngầm

Đại học Case Western Reserve (bang Ohio, Mỹ) đã chế tạo nhiều nguyên mẫu công cụ đào đất lấy cảm hứng từ giun đất (Ảnh st)

Sau các vụ cháy rừng ở phía Nam bang California (Mỹ) hồi tháng 1/2025, vấn đề chôn lấp cơ sở hạ tầng năng lượng để ngăn ngừa các vụ cháy trong tương lai đã trở nên cấp bách hơn tại bang này. Trong khi người ta vẫn đang điều tra nguyên nhân chính xác của các vụ cháy, các công ty điện lực bang California đã dành nhiều năm để ngầm hóa đường dây điện nhằm giảm thiểu rủi ro hỏa hoạn. Công ty Pacific Gas & Electric đã lắp đặt hơn 1.287km đường dây điện ngầm kể từ năm 2021, ước tính phương pháp này có hiệu quả 98% trong việc giảm thiểu nguy cơ cháy nổ. Công ty Southern California Edison cũng đã chôn lấp hơn 40% đường dây phân phối có nguy cơ cao, và 63% hệ thống phân phối khu vực của Công ty San Diego Gas & Electric hiện đã ngầm hóa.

Tuy nhiên, chi phí xây dựng ngầm quá cao khiến một phần lớn trong 8,8 triệu km đường dây phân phối và 180 triệu cột điện của lưới điện Mỹ bị phơi nhiễm cây đổ, mảnh vỡ bay và các nguy cơ khác khiến mồi cháy lan nhanh thành đám cháy rộng hàng mẫu Anh (một mẫu Anh xấp xỉ 4.000m²). Nhận thấy nhu cầu về các giải pháp ngầm hóa hiệu quả về chi phí, Bộ Năng lượng Mỹ đã khởi động chương trình Đại tu Lưới điện với Công nghệ Ngầm hóa Chủ động, Tốc độ Cao để Tăng Độ tin cậy, Khả năng phục hồi và An ninh (GOPHURRS) vào tháng 1 năm 2024. Chương trình kéo dài ba năm này đầu tư 34 triệu USD vào 12 dự án nhằm phát triển các công nghệ ngầm hóa hiệu quả hơn, giảm thiểu gián đoạn trên mặt đất đồng thời hỗ trợ đường dây điện trung áp.

Đại học Case Western Reserve ở Thành phố Cleveland, bang Ohio (Mỹ), đang chế tạo một robot tự hành dạng ống tay áo mô phỏng chuyển động nhu động đặc trưng của giun đất để di chuyển trong đất. Được tài trợ 2 triệu USD, ý tưởng "ống dẫn nhu động" của Case hy vọng sẽ định hướng chính xác hơn dưới lòng đất và giảm thiểu nguy cơ hư hỏng ngoài ý muốn, chẳng hạn như làm vỡ đường ống hiện có.

Tại sao việc ngầm hoá lại tốn kém như vậy?

Mặc dù có nhiều lợi ích nhưng theo ước tính của ba công ty điện lực lớn nhất bang California (Mỹ), việc ngầm hóa vẫn rất tốn kém, từ 1,1 đến 3,7 triệu USD mỗi kilômét đối với đường dây phân phối và từ 3,7 đến 62 triệu USD mỗi kilômét đối với đường dây truyền tải. Con số này cao hơn đáng kể so với cơ sở hạ tầng trên cao, với chi phí từ 394.000 đến 472.000 USD mỗi kilômét đối với đường dây phân phối và từ 621.000 đến 6,83 triệu USD mỗi kilômét đối với đường dây truyền tải.

Phương pháp phổ biến nhất để ngầm hóa đường dây điện, còn gọi là đào rãnh hở, đòi hỏi phải đào đất, lắp đặt ống dẫn và lấp những lượng lớn đất, khiến việc này tốn kém và phức tạp về mặt hậu cần. Phương pháp này thường không khả thi ở các khu vực đô thị đông đúc, nơi cơ sở hạ tầng ngầm đã quá tải với hệ thống ống nước, cáp quang và các tiện ích khác.

Các phương pháp không đào rãnh như khoan định hướng theo phương ngang (HDD) cung cấp một giải pháp ít xâm lấn hơn để đặt các đường dây điện dưới đường bộ và đường sắt bằng cách tạo ra một đường khoan cong, có kiểm soát, bắt đầu từ một góc vào nông, đào sâu hơn để vượt qua các chướng ngại vật và nổi lên bề mặt tại một điểm ra chính xác. Tuy nhiên, HDD thậm chí còn tốn kém hơn so với đào rãnh hở do thiết bị chuyên dụng, quy trình làm việc phức tạp và nguy cơ làm hỏng cơ sở hạ tầng hiện có.

Do chi phí cao, các công ty điện lực thường ưu tiên các chiến lược giảm thiểu hỏa hoạn ít tốn kém hơn như cắt tỉa cây cối và các loại cây trồng khác gần đó, sử dụng dây dẫn cách điện và tăng cường kiểm tra và sửa chữa định kỳ. Mặc dù không hiệu quả bằng việc ngầm hóa, nhưng những biện pháp này vẫn là lựa chọn hàng đầu, phần lớn là do các phương pháp xây dựng ngầm nhanh hơn và rẻ hơn vẫn chưa xuất hiện.

Ted Kury, Giám đốc bộ phận Nghiên cứu năng lượng tại Trung tâm Nghiên cứu Tiện ích Công cộng của Đại học bang Florida, người đã nghiên cứu sâu rộng về chi phí và các lợi ích của việc hạ ngầm, cho biết các công nghệ thực hiện cải tiến khoan định hướng "có thể khiến việc hạ ngầm trở nên thực tế hơn ở các khu vực đô thị hoặc đông dân cư, nơi mà việc đào rãnh lộ thiên và các gián đoạn đi kèm theo nó tới cơ sở hạ tầng xung quanh, có thể dẫn đến các chi phí không thể biện hộ được."

Robot lấy cảm hứng từ giun đất cho đường dây điện

Trong robot lấy cảm hứng từ loài giun đất của Case, các phần xen kẽ có thiết kế để kéo dài ra và co ngắn lại nhằm neo giữ và đẩy máy tiến về phía trước. Lực linh hoạt này giúp tăng độ chính xác và giảm rủi ro va chạm gây vỡ các đường ống. Các phương pháp thông thường yêu cầu bán kính quay vòng lớn hơn 300m, nhưng bán kính quay vòng 1,5m của Case sẽ cho phép thiết bị linh hoạt di chuyển xung quanh cơ sở hạ tầng hiện có.

“Chúng tôi sử dụng bộ truyền động để thay đổi chiều dài và đường kính của từng đoạn,” Kathryn Daltorio, Phó Giáo sư kỹ thuật và đồng Giám đốc Phòng thí nghiệm Robot Lấy cảm hứng từ Sinh học của Đại học Case, cho biết. “Các đoạn ngắn và dày ép vào thành hang, sau đó chúng neo lại để các đoạn mỏng có thể tiến về phía trước. Nếu hai đoạn không chạm đất nhưng chúng thay đổi chiều dài cùng lúc, các neo sẽ không bị trượt và robot tiến về phía trước.”

Daltorio và các đồng nghiệp đã nghiên cứu robot lấy cảm hứng từ giun đất trong hơn một thập kỷ, ban đầu hình dung công nghệ này dành cho các ứng dụng phẫu thuật và các ứng dụng không gian hạn chế trước khi nhận ra tiềm năng của nó trong việc ngầm hóa các đường dây điện.

Robot đào giống giun đất của Đại học Case Western Reserve có thể quay nhanh hơn các kỹ thuật khoan khác để tránh các chướng ngại vật (Ảnh st)

Phương pháp HDD truyền thống dựa vào việc đẩy đầu khoan xuyên qua đất, đòi hỏi lực lớn hơn khi chiều dài lỗ khoan tăng lên. Khái niệm khoan của Case tạo ra lực cần thiết cho đầu khoan từ các đoạn nhu động bên trong lỗ khoan. Khi đường khoan dài hơn, chỉ có các đoạn phía trước đào sâu hơn. "Nếu robot va vào vật gì đó, người vận hành có thể lùi lại và đổi hướng, đào hang dọc đường để hoàn thành mạch bằng cách thay đổi độ sâu", Daltorio nói.

Một điểm khác biệt quan trọng khác so với HDD là việc lắp đặt ống dẫn tích hợp. Với HDD, mũi khoan sẽ khoan xuyên suốt toàn bộ chiều dài trước, sau đó mới kéo ống dẫn điện qua. Robot nhu động của Case sẽ đặt ống dẫn trong khi di chuyển, giúp giảm tổng thời gian lắp đặt.

Những tiến bộ về độ chính xác của việc đào hang

“Phương pháp đường ống nhu động rất thú vị và dường như chắc chắn đang giải quyết những lo ngại về sự đa dạng của các chướng ngại vật ngầm”, Kury từ Đại học Florida cho biết. Tuy nhiên, ông nhấn mạnh mối quan tâm lớn hơn đối với các sáng kiến ngầm – không chỉ của Case – trong việc đáp ứng môi trường không ngừng biến đổi. Hệ thống ngầm ngày nay sẽ trông rất khác sau 10 năm nữa, khi địa hình đất thay đổi, cây cối phát triển, động vật đào hầm và con người đào bới và xây dựng. “Cáp ngầm sẽ tồn tại trong nhiều thập kỷ và tính bền vững của những công nghệ này phụ thuộc vào cách chúng thích ứng với cấu trúc luôn thay đổi này”, Kury nói thêm.

Daltorio lưu ý rằng các phương pháp hạ ngầm hiện tại bao gồm đổ bê tông xung quanh các đường ống trước khi lấp đất để bảo vệ chúng khỏi việc đào bới trong tương lai là một thách thức đối với các phương pháp không đào rãnh hiện có. Tuy nhiên, dự án của Case mang lại hai lợi ích lớn. Thứ nhất, nhờ hiểu rõ hơn về thiết kế lỗ khoan, các kỹ sư có thể linh hoạt hơn trong việc lựa chọn vật liệu ống dẫn phù hợp với tiêu chuẩn của từng môi trường cụ thể. Ngoài ra, những tiến bộ về độ chính xác trong đào hầm có thể giảm thiểu khả năng gián đoạn trong tương lai do hoạt động của con người.

Nhóm nghiên cứu đang khám phá nhiều cách khác nhau để gia cố phần bên ngoài của robot đào đất khi nó ở bên trong lòng đất (Ảnh st)

Nhóm của Daltorio đang hợp tác với một số đối tác, trong đó Đại học Auburn ở bang Alabama đóng góp chuyên môn về địa kỹ thuật, Đại học Stony Brook ở bang New York điều hành mô hình và Đại học Texas tại thành phố Austin nghiên cứu tương tác trầm tích.

Dự án đặt mục tiêu giảm một nửa chi phí ngầm hóa, mặc dù Daltorio cảnh báo rằng còn quá sớm để cam kết một mô hình chi phí cụ thể. Tuy nhiên, tiềm năng tiết kiệm thời gian có vẻ đầy hứa hẹn. "Với các phương pháp thông thường, việc lập kế hoạch, cấp phép và lên lịch có thể mất hàng tháng trời", Daltorio nói. "Bằng cách đơn giản hóa quy trình, có thể chỉ cần vài lần kiểm tra tại các điểm cuối, vài ngày đào tự động với ít gián đoạn giao thông phía trên, sau đó là vài ngày vệ sinh, nối và kiểm tra."

Biên dịch: Bùi Thị Thu Hường

Theo “ieee”, tháng 5/2025