Các thủy thủ tàu ngầm hít thở dưới độ sâu hàng ngàn mét như thế nào?

[The Storm Riders]

Tàu ngầm – những cỗ máy kỳ diệu lặn sâu dưới lòng đại dương – luôn khiến chúng ta tò mò. Từ nghiên cứu khoa học đến quốc phòng, chúng đảm nhận nhiều vai trò quan trọng. Thoạt nhìn, thiết kế bên ngoài của tàu ngầm có vẻ đơn giản hơn tàu nổi với cấu trúc đối xứng và kín, nhưng hệ thống bên trong – từ động lực, liên lạc đến sinh tồn – lại phức tạp hơn nhiều. Không như tàu mặt nước, tàu ngầm có thể hoạt động dưới độ sâu hàng nghìn mét trong nhiều ngày, đòi hỏi công nghệ tiên tiến để duy trì sự sống và vận hành. Vậy câu hỏi mà nhiều người từng thắc mắc từ nhỏ: Làm sao để thở trong tàu ngầm? Hãy cùng khám phá cách con người tạo ra không khí trong không gian kín này.

Khác với môi trường tự nhiên, bên trong tàu ngầm là một không gian kín hoàn toàn, không có gió, mưa, ánh sáng mặt trời hay chu kỳ ngày đêm. Để con người sống sót, không khí trong tàu phải tái tạo bầu khí quyển Trái Đất: khoảng 78% nitơ, 21% oxy và dưới 1% các khí khác (bao gồm CO2). Áp suất an toàn dao động từ 700-800 Torr cho không khí và 120-160 Torr cho oxy. Một người trưởng thành cần khoảng 7 lít không khí/phút (21% oxy), tức là 600 lít oxy/ngày. Với tàu ngầm nhỏ 10 người, nhu cầu lên tới 6.000 lít oxy/ngày – một con số khổng lồ khiến việc lưu trữ oxy truyền thống trở nên bất khả thi. Do đó, tàu ngầm phải tự tạo oxy liên tục.

Cách tạo oxy trong tàu ngầm​

1. Điện phân nước (Electrolytic Oxygen Generators - EOG)

Đây là phương pháp cổ điển nhất, dựa trên phản ứng phân tách nước (H₂O) thành oxy (O₂) và hydro (H₂). Nước biển trước tiên được khử muối bằng hai cách:​

• Chưng cất: Đun sôi nước biển, thu hơi nước và ngưng tụ lại, loại bỏ muối.
• Thẩm Thấu Ngược: Lọc nước qua màng bán thấm dưới áp suất cao, giữ lại muối.

Sau đó, nước tinh khiết được đưa vào hệ thống điện phân với dung dịch kiềm (25-30% KOH) và xúc tác như NaCl, NaOH. Tại cathode: 2H₂O → 2OH⁻ + H₂. Tại anode: 2OH⁻ → ½O₂ + H₂O. Hydro được thải ra biển, còn oxy dạng khí được thu vào bình chứa. Với 15 tế bào điện phân 1000 ampe, hệ thống này cung cấp đủ oxy cho 100 người – đơn giản nhưng hiệu quả.​

2. Nến Oxy (Oxygen Candle)

Phương pháp này tiên tiến và linh hoạt hơn, thường dùng trong tàu ngầm quân sự, máy bay hay tàu vũ trụ. “Nến oxy” là hỗn hợp natri clorat (NaClO₃), bột sắt và một ít BaO₂ (5%). Khi đốt ở nhiệt độ trên 600°C, hỗn hợp phân hủy: 2NaClO₃ → 2NaCl + 3O₂. Bột sắt duy trì quá trình cháy kéo dài 45-50 phút, tạo ra khoảng 3.260 lít oxy mỗi lần. Tuy nhiên, phương pháp này dễ gây cháy, đòi hỏi vận hành cẩn thận, và khí thải phải được lọc để loại bỏ muối.​

3. Điện Phân Polyme rắn (Solid Polymer Electrolysis - SPE)

Công nghệ hiện đại nhất hiện nay, SPE không cần dung dịch kiềm mà dùng màng polyme vừa làm chất điện phân, vừa cách ly. Nó tạo oxy nhanh gấp 20 lần EOG, hoạt động ở áp suất thấp (500-600 psi), giảm nguy cơ cháy nổ do hydro ít hơn, và tăng 50% sản lượng oxy. Với hiệu suất vượt trội, SPE đang dần thay thế EOG trong các tàu ngầm mới hoặc nâng cấp.​

Loại bỏ CO2: Giữ không khí sạch​

Tạo oxy chỉ là một nửa câu chuyện. Trong không gian kín, CO2 từ con người và máy móc tích tụ nhanh chóng – vượt 5% sẽ gây nguy hiểm, thậm chí tử vong. Do đó, tàu ngầm phải “lọc” CO2 liên tục bằng các phương pháp sau:​

• Vôi Soda (Soda Lime): Hỗn hợp Ca(OH)₂ và NaOH hấp thụ CO2: CO₂ + Ca(OH)₂ → CaCO₃ + H₂O. Phương pháp rẻ, hiệu quả, dùng hơn 100 năm.
• Monoethanolamine (MEA): CO2 được hấp thụ bởi dung dịch MEA 25-30%, sau đó tách ra bằng nhiệt và tái chế dung dịch. Loại bỏ 70-90% CO2 mỗi lần.
• Lithium Hydroxide (LiOH): CO2 bị giữ trong hộp LiOH, nhưng không tái sử dụng được.
• Oxy Hóa Cưỡng Chế: Dùng xúc tác CuO-MnO₂ và than hoạt tính để lọc CO2 và tạp chất, tái sử dụng được.

Thiết bị thở khẩn cấp​

Trong tình huống khẩn cấp, tàu ngầm có các hệ thống thở dự phòng như EAB hoặc BIBS, kết nối mặt nạ với bình oxy dự trữ. Ngoài ra, thiết bị OBA dùng KOH tạo oxy và hấp thụ CO2, hoặc bộ thở scuba di động cũng được trang bị để đảm bảo an toàn cho thủy thủ đoàn.

Bí mật dưới đáy biển​

Từ điện phân nước đến nến oxy và SPE, tàu ngầm là minh chứng cho sự sáng tạo của con người trong việc duy trì sự sống ở những nơi khắc nghiệt nhất. Không chỉ vận hành mà còn sinh tồn dưới độ sâu hàng nghìn mét, mỗi hệ thống trong tàu ngầm đều là một kỳ tích công nghệ. Lần tới khi nghĩ về tàu ngầm, bạn sẽ biết rằng không khí bạn hít thở trên cạn chẳng khác gì phép màu dưới lòng đại dương.