Helion phát triển chip bán dẫn mới, hứa hẹn nhân đôi sản lượng điện từ lò phản ứng nhiệt hạch

Startup nhiệt hạch Helion vừa công bố khoản tài trợ 175 triệu USD từ chính phủ Mỹ để nghiên cứu, phát triển và sản xuất chất bán dẫn cùng linh kiện điện tử công suất tiên tiến phục vụ các nhà máy nhiệt hạch của mình. Đây được xem là bước đi chiến lược nhằm tăng hiệu suất của công nghệ năng lượng được kỳ vọng sẽ định hình tương lai.

Hiện tại, các linh kiện này đang làm thất thoát khoảng 5% đến 10% lượng điện chạy qua chúng. Con số nghe có vẻ nhỏ, nhưng trong một hệ thống phức tạp như của Helion, tổn thất có thể cộng dồn theo cấp số nhân.

Cơ sở của Helion Energy tại Everett, Washington, Mỹ

"Nếu chúng ta có thể cắt giảm một nửa tổn thất đó, thực chất là chúng ta có thể nhân đôi sản lượng điện của hệ thống nhiệt hạch", David Kirtley, đồng sáng lập kiêm CEO của Helion, chia sẻ với TechCrunch.

Chạy đua với thời hạn 2028

Helion đang gấp rút hoàn thành nhà máy điện đầu tiên mang tên Orion để kịp tiến độ cung cấp điện lưới cho Microsoft vào năm 2028. Khoản tài trợ mới sẽ giúp công ty xây dựng dây chuyền tự động hóa cho module bán dẫn, đóng gói và kiểm thử, phục vụ cỗ máy nhiệt hạch đang được thi công.

Dây chuyền sản xuất này, dự kiến đặt tại bang Washington, sẽ là cơ sở đầu tiên tại Mỹ chế tạo một lớp chất bán dẫn không chỉ dùng cho năng lượng nhiệt hạch mà còn cho sản xuất công nghiệp, xử lý nước thải, y học và quốc phòng.

"Hiện tại không có nhà sản xuất nào ở Mỹ làm được việc này. Đây thực sự là bước ngoặt đi từ con số không đến 100 đối với chất bán dẫn cao áp và xung tiên tiến ngay trên đất Mỹ", Kirtley nhận định.

Dòng vốn mới và cách phân bổ

Khoản tài trợ kéo dài ba năm này do Bộ Thương mại Mỹ cấp theo Đạo luật CHIPS — luật thời chính quyền Biden nhằm thúc đẩy nghiên cứu, phát triển và sản xuất module bán dẫn tại Mỹ. Cùng với tiền liên bang, Helion cũng công bố khoản đầu tư tư nhân mới trị giá 50 triệu USD mà không tiết lộ danh tính nhà đầu tư. Tổng cộng, startup này đã huy động hơn 3,2 tỷ USD, trở thành startup nhiệt hạch được tài trợ nhiều thứ hai thế giới.

Theo Kirtley, hơn 100 triệu USD sẽ dành cho R&D bán dẫn và đóng gói tiên tiến tại bang Washington, khoảng 80 triệu USD hỗ trợ nghiên cứu tại Vermont về công cụ, thiết kế và quy trình bán dẫn tiên tiến phối hợp cùng GlobalFoundries. Riêng GlobalFoundries đã nhận hơn 80 triệu USD từ chính phủ để thúc đẩy sản xuất chất bán dẫn gallium-nitride (GaN) — loại vật liệu được sử dụng rộng rãi trong điện tử công suất.

CEO Helion thừa nhận những kết quả R&D từ khoản tài trợ này sẽ không kịp đưa vào Orion trước thời điểm khởi động, do các hợp đồng liên bang thường mất nhiều tháng để đàm phán. Tuy nhiên, ông tin rằng chúng sẽ giúp cải thiện hiệu suất của các nhà máy Helion tiếp theo, qua đó nâng cao khả năng cạnh tranh trên thị trường điện đầy khốc liệt.

Hiệu suất là yếu tố then chốt

Hiệu quả của chất bán dẫn có vai trò sống còn với cách tiếp cận nhiệt hạch của Helion, vốn thu điện trực tiếp từ phản ứng nhiệt hạch thay vì dùng nhiệt để đun sôi nước tạo hơi quay tuabin.

Sơ đồ nguyên lý lò phản ứng nhiệt hạch của Helion

Startup này đang phát triển lò phản ứng theo cấu hình field-reversed configuration. Nhiên liệu nhiệt hạch được bơm vào hai đầu buồng phản ứng hình đồng hồ cát, nơi chúng được nung nóng để tạo thành plasma. Các plasma sau đó được gia tốc về phía nhau bằng từ trường. Khi va chạm, một từ trường khác tiếp tục nén khối cầu, đẩy nhiệt độ lên trên 100 triệu độ C.

Ở nhiệt độ và áp suất đó, các nguyên tử trong nhiên liệu bắt đầu phản ứng nhiệt hạch, giải phóng năng lượng và đẩy plasma ra ngoài. Lực đẩy này tác động ngược lên từ trường, và năng lượng được nam châm cùng tụ điện thu lại để chuyển thành điện — tương tự cách xe hybrid hay xe điện tái sạc pin nhờ dùng động cơ điện để hãm xe.

Helion cho biết phương pháp này, gọi là chuyển đổi năng lượng trực tiếp, sẽ giúp các lò phản ứng tương lai sản xuất nhiều điện hơn mức chúng tiêu thụ để vận hành — cột mốc mà bất kỳ nhà máy nhiệt hạch nào cũng phải đạt được để có tính khả thi thương mại. Linh kiện điện tử công suất hiệu quả chính là chìa khóa của quá trình này.

"Một trong những yếu tố cho phép chúng tôi thực hiện việc thu hồi điện trực tiếp — đưa điện vào phản ứng nhiệt hạch với hiệu suất rất cao và thu lại với tốc độ cao — chính là chất bán dẫn hiện đại. Chúng tôi sẽ đưa nó lên tầm cao mới, nâng cao hiệu suất", Kirtley nói.

Tiềm năng vượt ra ngoài ngành năng lượng

Lĩnh vực năng lượng không phải nơi duy nhất mà điện tử công suất tiên tiến có thể tạo tác động. Xe điện hiện là ứng dụng phổ biến nhất, trong khi thiết bị điện tử tiêu dùng cũng có thể hưởng lợi, dù yêu cầu về kích thước và công suất ở đó thấp hơn nhiều so với Helion.

Ngành quốc phòng được dự báo là một bên hưởng lợi khác. Vũ khí năng lượng đang thu hút sự quan tâm mới khi drone tràn ngập chiến trường và làm quá tải các hệ thống phòng không hiện có. Bill Frauenhofer, người phụ trách đầu tư và đổi mới bán dẫn tại Bộ Thương mại Mỹ, thừa nhận trong một thông cáo rằng khoản tài trợ sẽ giúp "chuyển đổi và cung cấp điện cho các ứng dụng trọng yếu trong quốc phòng, truyền tải lưới điện và sản xuất năng lượng tiên tiến".

Dù có tiềm năng từ các hợp đồng quốc phòng, Kirtley khẳng định Helion vẫn tập trung vào việc đưa điện lên lưới. "Nguồn cung năng lượng nội địa, an ninh quốc gia thông qua vị thế thống trị năng lượng và an ninh năng lượng — đó là trọng tâm chính của chúng tôi", ông nói.

Với giới công nghệ Việt Nam, câu chuyện của Helion là ví dụ điển hình cho thấy chất bán dẫn và điện tử công suất không chỉ phục vụ điện thoại hay máy tính mà còn là nền tảng cho những công nghệ năng lượng mang tính đột phá. Khi Việt Nam đang đẩy mạnh phát triển ngành bán dẫn và thu hút đầu tư vào lĩnh vực này, các bài học về tự chủ chuỗi cung ứng và đầu tư R&D dài hạn từ những startup như Helion là nguồn tham khảo đáng chú ý.