Nước Anh là một nước dẫn đầu thế giới về nghiên cứu không gian vũ trụ - bởi có mối liên hệ chặt chẽ giữa các công trình nghiên cứu tại các trường đại học và ngành công nghiệp này. Nhiều sáng kiến  như Chương trình hợp tác nghiên cứu Faraday (Faraday Partnerships) càng làm cho các mối liên hệ này khăng khít hơn và cũng tập hợp được nhiều trường đại học và các công ty lại với nhau tham gia các dự án hợp tác. Paul Fuller tìm hiểu xem các hệ thống này mang lại lợi ích cho tất cả các bên liên quan như thế nào và tối ưu hóa các quy trình sản xuất và phân phối sản phẩm ra sao.

Sự phát triển công nghệ mới trong ngành công nghiệp máy bay không bao giờ có giây phút ngừng nghỉ. Các nhà sản xuất và các nhà nghiên cứu liên tục hợp tác để cải tiến, và chế tạo ra những vật liệu mới để máy bay nhẹ hơn và hiệu suất cao hơn. Những thay đổi cải tiến này là cần thiết bởi các lý do như nhu cầu bay vé rẻ, sức ép quốc tế phải giảm khí thải ô nhiễm từ động cơ máy bay, và nhu cầu tăng lợi nhuận bằng cách cắt giảm thời gian bảo dưỡng máy bay của các hãng hàng không. Sức ép phải cải tiến và thay đổi đang tạo ra cho các nghiên cứu sinh ngày càng nhiều cơ hội có thể tác động mạnh mẽ tới sự phát triển của công nghệ hàng không vũ trụ và bảo đảm cho họ sự nghiệp lâu dài trong ngành chế tạo hàng không vũ trụ.

Nước Anh là một trong những nước dẫn đầu thế giới về nghiên cứu nguyên vật liệu nhẹ hơn cho khung máy bay và các thành phần động cơ. Các trường học Anh đi đầu về công nghệ hàng không với sự hậu thuẫn về mặt ngân sách của chính phủ và sự hợp tác cũng như hỗ trợ từ các nhà sản xuất ở Anh như Airbus UK, Rolls-Royce, BAE Systems và Smiths.

Một số trường đại học trong đó có Birmingham, Bristol, Cambridge, Cranfield, Manchester và Oxford thường xuyên kết hợp chặt chẽ với các nhà sản xuất trên nhiều dự án. Rất nhiều phần trong thiết kế của chiếc máy bay dân dụng lớn nhất thế giới – siêu máy bay Airbus A380 – sử dụng công nghệ do các trường đại học Anh hỗ trợ phát triển. Công nghệ này sử dụng nhiều vật liệu tổng hợp nhất từ trước đến nay, kết hợp với các công nghệ tiên tiến khác trong đó có các hệ thống nước nhẹ hơn để sản xuất một chiếc máy bay cao 8 tầng và lớn hơn 1/3 so với máy bay phản lực lớn chở khách hiện nay, trong khi vẫn tiết kiệm xăng hơn xe hơi. Chiếc Airbus 380 tạo ra các chuẩn mực mới cho ngành hàng không, vậy mà các nhà sản xuất và các nhà khoa học đã lại đang nghiên cứu cải tiến công nghệ chuẩn bị sản xuất thế hệ máy bay chở khách tiếp theo.

Giáo sư Patrick Grant ở Đại học Oxford là một trong những chuyên gia hàng đầu của Anh về phát triển các vật liệu chế tạo khung và các thành phần máy bay. Giáo sư đứng đầu một nhóm nghiên cứu ở Khoa Vật liệu của trường kiêm Giám đốc chương trình Faraday Advance – một sáng kiến nhằm đẩy mạnh hợp tác và thao đổi thông tin giữa các nhà nghiên cứu với các bộ phận phát triển sản phẩm mới trong ngành công nghiệp ứng dụng. Chương trình lấy tên nhà vật lý và hóa học thế kỷ 19 Michael Faraday– người nổi tiếng là luôn liên hệ chặt chẽ với ngành ứng dụng khi tiến hành nghiên cứu cơ bản.

Giáo sư Grant giải thích: ‘Trước tình hình giá xăng dầu ngày càng cao và nhu cầu bảo tồn nhiên liệu trên toàn thế giới, ngành hàng không đang phải phấn đấu chế tạo máy bay nhẹ hơn và tiết kiệm nhiên liệu hơn trong khi khung máy bay ngày càng lớn hơn’. Chúng ta thường nhìn thấy những chiếc máy bay mà vỏ có vẻ hoàn toàn làm bằng hợp kim nhôm, nhưng chúng tôi đang chế tạo máy bay sử dụng nhiều vật liệu tổng hợp. Có lẽ gần đây thay đổi quan trọng nhất về khung máy bay thương mại là việc ngày càng sử dụng nhiều các loại nhựa được gia cố bằng sợi carbon (CFRP). CFRP đã thay thế các hợp kim nhôm trong nhiều ứng dụng và kết quả là có được máy bay dân dụng hiện đại có thể chứa tới 30% trọng lượng không tải của CFRP. Trong tương lai con số này có thể lên tới 50%.

Thay đổi này và nhiều thay đổi khác gần đây về vật liệu hàng không vũ trụ đã dẫn đến nhiều nghiên cứu và phát triển quan trọng tại các trường đại học, không chỉ về việc làm khung máy bay nhẹ hơn mà các động cơ và các bộ phận khác cũng nhẹ và bền hơn. Người dân Anh đã quen với việc bay sang Pra-ha nghỉ cuối tuần mà chỉ phải trả 29 bảng rồi. Giáo sư Grant giải thích: “Cách duy nhất để việc kinh doanh giá rẻ như vậy tồn tại là chúng tôi phải chế tạo được thiết kế khí động lực và các vật liệu nhẹ cực tốt, và phải dùng động cơ một cách hiệu quả để đẩy máy bay lên phía trước trong khi vẫn có thể cung cấp đầy đủ điện năng cho tất cả các hệ thống điện mà hành khách cần chẳng hạn như điều hòa không khí, các hệ thống giải trí, máy tính và điện thoại vệ tinh.”

Đi lại phải rẻ và an toàn nhưng đồng thời cũng phải giảm lượng khí thải. Chỉ có thể giữ giá rẻ bằng cách dùng ít chất đốt đi và giảm bảo hành bảo dưỡng, sao cho máy bay có thể bay liên tục càng nhiều càng tốt chứ không mất nhiều thời gian đứng một chỗ để kiểm tra và đại tu. Vấn đề khó khăn mà các nhóm nghiên cứu và phát triển vật liệu hàng không vũ trụ gặp phải là họ đòi hỏi vật liệu phải bền hơn và đồng thời hiệu suất hoạt động ngày càng cao, và đối với một số vật liệu động cơ phản lực còn phải hoạt động ở nhiệt độ cao đến mức gần tới điểm nóng chảy. Đây là một nhiệm vụ rất khó khăn, nhưng là vấn đề mà các nhóm nghiên cứu ở các trường đại học như nhóm của Giáo sư Grant luôn phải đối mặt.

Mặt sau của động cơ (tua-bin) là bộ phận chịu nhiệt cao nhất: hỗn hợp không khí và dầu đốt đạt tới nhiệt độ khoảng 1.700 độ C. Đây là nhiệt độ cao hơn điểm nóng chảy của các hợp kim ni-ken khác nhau được dùng để chế tạo tua-bin. Cần phải có các công nghệ chế tạo máy và công nghệ vật liệu thần tình mới có thể giúp vật liệu hoạt động ở nhiệt độ cao hơn điểm nóng chảy.  Hàng loạt các cải tiến trong vòng 30-40 năm qua đã giúp làm được điều này. Nhiều bộ phận, nhất là các cánh quạt tua-bin, thực ra là rỗng – nên chứa đầy không khí mát hơn để giữ cho nhiệt độ của hợp kim ni-ken thấp xuống. Ngoài ra, nhiều cánh quạt tua-bin được phủ một lớp gốm mỏng như một cái chăn cách nhiệt. Lượng gốm không đủ để thấy toàn bộ cánh quạt nạm gốm mà chỉ có một lớp phủ rất mỏng và nhẹ giúp cho kim loại bên dưới chịu được nhiệt độ cao hơn.

Đại học Cranfield hiện đang dẫn đầu về công nghệ này – được gọi là lớp phủ cản nhiệt. Thông thường, các vật liệu kim loại cấu tạo bởi nhiều tinh thể riêng biệt liên kết với nhau tạo thành vật liệu, và các liên kết có thể là yếu điểm. Các nhà nghiên cứu đã khắc phục được điều này khi thiết kế các bộ phận máy bay bằng cách dùng các tinh thể đơn lẻ, kéo dài tuổi hoạt động và hạ nhiệt độ hoạt động của chúng. Tính chất hóa học của các hợp chất ni-ken đặc biệt này liên tục được điều chỉnh để tăng khả năng chịu nhiệt và tuổi thọ. Các nhà nghiên cứu ở các trường đại học của Anh luôn tích cực tham gia loại hình nghiên cứu hàng đầu thế giới này.

Giáo sư Grant và nhóm nghiên cứu của ông cùng với các nhà nghiên cứu của trường Đại học Birmingham đã phát triển công nghệ mới phức tạp để giảm trọng lượng các bộ phận lắp ráp đĩa và cánh quạt quay trong máy nén động cơ máy bay làm mát. Để làm được điều này phải tăng cường sử dụng hợp chất ti-tan thay vì ni-ken (mật độ chỉ bằng một nửa), và bằng cách dùng các-bua si-li-côn gia cố ti-tan để sản xuất ra một vật liệu được gọi là tổng hợp ma trận ti-tan (TMC). Đề tài nghiên cứu này được tài trợ chủ yếu bởi chính phủ thông qua Hội đồng Nghiên cứu Khoa học Vật lý và Kỹ thuật Anh, với sự hỗ trợ của Rolls-Royce. Các trường đại học Anh cũng đang tham gia vào một nghiên cứu chiến lược rất thú vị bao gồm nghiên cứu tăng việc sử dụng các vật liệu điện trong hàng không vũ trụ khi ngành hàng không dân dụng chuyển sang thời kỳ ‘máy bay điện’. Hiện nay, người ta chủ yếu dùng thủy lực để hạ các cánh, bẻ bánh lái và điều khiển thiết bị hạ cánh. Ở một số khu vực trên máy bay có ba hệ thống thủy lực có cùng một nhiệm vụ bởi vì cần có hai hệ thống dự phòng để bảo đảm yêu cầu an toàn. Mỗi hệ thống chứa chất lưu nước và có vài cái bơm cũng như móc nối làm bằng các kim loại nặng như thép chẳng hạn. Tất cả những thứ này đều làm tăng trọng lượng của máy bay. Việc chuyển sang một hệ thống điện cho các chức năng này (có thể tối ưu hóa khi kết hợp với các hệ thống điện khác trên máy bay) có khả năng giảm trọng lượng cũng như chi phí bảo dưỡng.

Chiếc Airbus A380 sẽ bước đầu hướng tới một khung máy bay sử dụng nhiều thiết bị điện hơn, nhưng các hệ thống dự phòng vẫn còn là thủy lực. Các hệ thống thủy lực đó rất đáng tin cậy và an toàn nhưng công nghệ phải tiến bộ không ngừng. Người ta hy vọng một ngày công nghệ sẽ đạt được đến giai đoạn giảm đáng kể các thiết bị thủy lực. Là hành khách thì có lẽ chúng ta chẳng thấy cần thiết phải có cách mạng trong sản xuất máy bay. Khi lên độ cao 35.000 phút (hơn 10.000 mét), chúng ta thường không hào hứng lắm với những thay đổi lớn. Chế tạo máy giỏi thể hiện ở chỗ chúng ta không cảm nhận được điều gì thay đổi.

Đối với bất kỳ một tiến triển nào trong việc thiết kế máy bay thì các nhà sản xuất cũng tham gia trực tiếp vào giai đoạn nghiên cứu đó. Thường thì các ý tưởng nghiên cứu đều hình thành qua hợp tác chung của các giảng viên và nghiên cứu sinh trong trường đại học và các chuyên gia bên ngoài. Một trong những đặc điểm quan trọng trong lĩnh vực này ở Anh là các mối liên hệ lâu dài và rất hiệu quả giữa các công ty hàng không vũ trụ và các trường đại học. Qua làm việc chặt chẽ với nhau, các trường đại học hiểu sâu sắc các vấn đề rộng lớn hơn mà ngành công nghiệp đòi hỏi. Thay vì chỉ liên tục cho ra lò các nghiên cứu sinh sau 3 năm học tập, các chương trình hợp tác như vậy nhằm mang lại hiểu biết đầy đủ và đào tạo những con người toàn diện – giỏi cả lý thuyết và thực tế - trong một trường đại học.

Trong khi các nhóm nghiên cứu tiến hành một dự án có thể nảy sinh nhiều khía cạnh liên quan tới các vấn đề khác cần phải xem xét giải quyết. Bảng thành tích của các công ty hàng không vũ trụ Anh hợp tác với các trường đại học Anh rất dài và sáng chói, và sinh viên trong ngành này có nhiều cơ hội phát triển. Lĩnh vực hàng không vũ trụ phát triển mạnh ở Anh nơi có một số công ty hàng không vũ trụ lớn nhất thế giới. Các công ty này có truyền thống nghiên cứu phát triển và hợp tác với các trường đại học Anh, đặc biệt là trong các dự án có nghiên cứu sinh. Giáo sư Grant tham gia dự án Faraday Advance – một trong 24 chương trình Hợp tác nghiên cứu Faraday ở Anh, mỗi chương trình liên quan đến một mảng công nghiệp khác nhau. Ông cho biết ‘Các chương trình hợp tác nghiên cứu Faraday thường bao gồm một nhóm các trường đại học và một nhóm các công ty hợp tác với nhau để chế tạo sản phẩm mới và chuyển giao quy trình sản phẩm. Dĩ nhiên, các hoạt động này cũng có thể diễn ra mà không cần dự án Faraday Advance, nhưng thường là không vì muốn làm cái gì đó mới mẻ bao giờ cũng cần có động lực thúc đẩy.’

Trong một thế giới mà các nhà khoa học vô cùng bận rộn vì giảng dạy và nghiên cứu, còn các công ty thì dồn sức lực để có thể cạnh tranh trên toàn cầu; ngành công nghiệp dễ có xu hướng bỏ bê nghiên cứu trung và dài hạn. Những sáng kiến như Chương trình hợp tác nghiên cứu Faraday có thể giúp các công ty giảm sức ép tìm động cơ nghiên cứu. Các chương trình hợp tác rất linh động và sáng tạo, có thể làm bất cứ điều gì cần thiết để các nhà khoa học và các công ty làm việc với nhau một cách hiệu quả và thích thú. Thường thì một trong các nhiệm vụ của các dự án là xây dựng các chương trình nghiên cứu sinh trong các trường.

Giáo sư Grant giải thích rằng từ trước đến nay chúng ta vẫn quen với mô hình đào tạo truyền thống – tức là nghiên cứu sinh học 3 năm ở một khoa nào đó trong trường, thỉnh thoảng mới gặp công ty bảo trợ. Mô hình đó cũng tốt thôi, nhưng mô hình mới giúp nghiên cứu sinh gắn bó chặt chẽ hơn với ngành công nghiệp ứng dụng, có thể là thông qua các chương trình tiến sĩ mang tính thực hành cao. Trong trường hợp này, nghiên cứu sinh đăng ký một khóa học trong trường và sẽ nộp luận án tiến sĩ nhưng phần lớn thời gian nghiên cứu là ở thực địa và dĩ nhiên nghiên cứu vẫn phải có chất lượng cao về mặt khoa học.

Sinh viên cũng có kinh nghiệm trong các lĩnh vực chẳng hạn như sở hữu trí tuệ, cách viết kế hoạch kinh doanh, cách trao đổi ý tưởng và cách trình bày vấn đề. Giáo sư Grant cho biết ‘Faraday Advance  thường giúp xây dựng các tổ hợp nghiên cứu và giúp các tổ hợp nghiên cứu đó xin tài trợ của bên thứ ba như Phòng Công nghiệp và Thương mại, bản thân công ty, các Hội đồng Nghiên cứu của Anh hay của EU’.  Chương trình hợp tác nghiên cứu Faraday này không loại trừ nghiên cứu trùng lặp – bởi vì các công ty vẫn muốn làm nghiên cứu riêng của mình trong một số lĩnh vực vì lý do cạnh tranh. Tuy nhiên, Giáo sư Grant cho rằng hiện nay đang có nhiều đề tài nghiên cứu rất quan trọng được tiến hành đồng thời ở các trường đại học, ở các địa điểm khác nhau mà nếu kết hợp với nhau nhiều hơn thì sẽ có lợi hơn nhiều. Có một cách hợp tác đã được thực hiện – đó là tổ chức một chương trình hè miễn phí tại Oxford về vật liệu hàng không vũ trụ: các nghiên cứu sinh từ khắp nước Anh tập hợp lại để trình bày kết quả nghiên cứu của mình cho nhau trong không khí thân mật, không nghi thức.

Đó là một cách để sinh viên tìm hiểu các sinh viên khác trong ngành đang làm gì trong một không khí cởi mở và khuyến khích. Rốt cuộc thì các sinh viên này trong tương lai sẽ trở thành những thủ lĩnh về vật liệu hàng không vũ trụ và những kinh nghiệm quý báu như vậy sẽ giúp họ mở mang tầm nhìn – họ có thể đã là những nhà nghiên cứu vĩ đại trong lĩnh vực riêng của mình, nhưng họ vẫn có thể có lợi nhờ hiểu biết thêm về những gì đang diễn ra trong toàn ngành vật liệu trên khắp nước Anh. Các nghiên cứu phục vụ trực tiếp ngành công nghiệp trong lĩnh vực hàng không vũ trụ như vậy ngày càng có sự tham gia của nhiều trường đại học với nhau. Trước đây, nghiên cứu thực tiễn và hàn lâm thường chỉ là hợp tác song phương – một công ty có dự án thì hợp tác với một trường đại học. Mô hình này vẫn sẽ tồn tại và có thể rất hiệu quả. Tuy nhiên, song song với nó bắt đầu có một xu hướng chuyển đổi mạnh mẽ sang các mối quan hệ hợp tác giữa nhiều trường và đôi khi cả nhiều công ty để cùng nhau vượt qua các thách thức khoa học và công nghệ. Về mặt này, các trường đại học của Anh đã chứng tỏ họ có thể cộng tác với nhau rất hiệu quả.

Trong nhiều trường hợp việc hợp tác nghiên cứu này sẽ mang lại những hiểu biết khoa học sâu sắc về ngành, nhưng cũng có trường hợp một số trường nào đó có ảnh hưởng trực tiếp tới các sản phẩm khung hay động cơ máy bay. Điều này có thể khiến các nghiên cứu sinh tham gia vô cùng phấn khởi; họ có động cơ mạnh mẽ và thấy sung sướng được tạo ra sự khác biệt.

Nhiều nghiên cứu sinh tham gia loại hình nghiên cứu này sau đó về làm việc cho các công ty đã tài trợ nghiên cứu của họ. Giáo sư Grant có một sinh viên tham gia một dự án hai năm và cô đã gây ấn tượng sâu sắc cho công ty đến mức chỉ sau một năm công ty đã tuyển cô vào làm việc luôn. Điều đó khiến dự án gặp một số khó khăn tạm thời nhưng công ty thì rất phấn khởi và dự án tìm sinh viên khác thay thế - người này cũng làm rất tốt. Đối với các công ty hàng không vũ trụ thì điều quan trọng không chỉ là kiến thức cụ thể do một dự án cụ thể mang lại mà còn là con người mà dự án đó tạo ra. Các tiến sĩ nghiên cứu  hợp tác với một công ty uy tín là con đường ít rủi ro để công ty đó phát hiện và tuyển chọn những người có năng lực nhất. Bởi vì công ty và sinh viên tìm hiểu nhau kỹ lưỡng nên cả hai phía đều có những mong đợi thực tế và sinh viên có thể nhanh chóng bắt đầu tạo ra sự thay đổi tích cực cho công ty.

Rất đông các nghiên cứu sinh học ngành hàng không vũ trụ ở Anh đến từ nước ngoài, đặc biệt là EU, Trung Quốc, Ấn Độ và Hàn Quốc. Một phần lớn trong số này ở lại làm việc cho ngành hàng không vũ trụ Anh sau khi tốt nghiệp. Những người khác thì về nước tiếp tục sự nghiệp của mình. Giáo sư Grant cho biết ‘Ngành công nghiệp hàng không vũ trụ là một ngành kinh doanh toàn cầu, và vì vậy đào tạo nghiên cứu sau đại học của Anh về ngành này cũng phải đi theo hướng đó.’