Hệ thống đo độ ẩm đất bằng neutron vũ trụ: Nhiều ứng dụng từ một giải pháp

Với những người ngoài cuộc, điều này quá lạ lùng. Có lẽ, dù giàu sức tưởng tượng thì cũng không ai ngờ một hạt hạ nguyên tử không mang điện tích và được sinh ra từ vũ trụ như neutron lại có thể giúp “giải đoán” hàm lượng nước trong lớp đất bề mặt dưới Trái đất. Những người làm việc trong ngành khí tượng thủy văn cũng không ngoại lệ. Thông thường để có được thông số về độ ẩm đất để đưa vào các mô hình dự báo hạn hán hoặc theo dõi tưới tiêu trong nông nghiệp, họ sử dụng các thiết bị đo đạc gắn các cảm biến hoặc dữ liệu ảnh vệ tinh rồi dùng các thuật toán giải đoán. Tuy nhiên, các phương pháp này có một số hạn chế: thiết bị gắn cảm biến chỉ có thể cho thông tin ở một điểm cụ thể và trong một phạm vi nhỏ nên đòi hỏi đầu tư kinh phí lớn trong khi dữ liệu ảnh vệ tinh dù cho thông tin ở diện rất rộng nhưng lại bị ảnh hưởng bởi thảm thực vật mặt đất...

Trong bối cảnh này, những người nghiên cứu ở Viện KH&KT hạt nhân lại nắm trong tay một chìa khóa quan trọng, kỹ thuật đo độ ẩm đất bằng nguồn neutron vũ trụ. “Hơn 10 năm qua, Cơ quan Năng lượng nguyên tử quốc tế (IAEA) đã phổ biến kỹ thuật này qua các tài liệu kỹ thuật để theo dõi hạn hán và thực hành nông nghiệp thông minh. Gần đây, IAEA và FAO (Tổ chức Nông lương của LHQ) đã làm việc với nhiều phòng thí nghiệm để giới thiệu kỹ thuật này vào quản lý nước trong nông nghiệp vì nó hết sức phù hợp với thực hành nông nghiệp thích ứng biến đổi khí hậu”, anh Nguyễn Đức Tuấn, Phó Giám đốc Trung tâm Kỹ thuật hạt nhân (Viện KH&KT hạt nhân) cho biết như vậy bên lề phiên họp Hội đồng Khoa học Viện NLNTVN.

Trên thực tế, con đường đưa một ứng dụng vào thực tế ở Việt Nam có bao giờ dễ dàng, nhất là khi vẫn còn một số tồn tại trong cơ chế quản lý khiến con đường này trở nên dài hơn.

Không chịu bỏ cuộc

Việc ứng dụng một kỹ thuật hạt nhân vào quan trắc độ ẩm đất có khởi đầu không thật sự suôn sẻ, mặc dù được các nhà quản lý ở Viện NLNTVN thúc đẩy trước đây vài năm. Khi đó, Viện NLNTVN đã lên kế hoạch hợp tác với Tổng cục Khí tượng Thủy văn (Bộ TN&MT) thực hiện dự án về một mạng lưới quan trắc độ ẩm với 10 thiết bị và trang bị cho các trạm khí tượng thủy văn hiện có. “Tuy nhiên, lúc đó chúng tôi lại gặp vướng mắc ở cơ chế thực hiện bởi trong một dự án nghiên cứu không có khoản dành cho chế tạo thiết bị. Lâu nay, người ta mặc định là phải sẵn có công nghệ và thiết bị rồi mới triển khai được dự án”, anh Nguyễn Đức Tuấn cho biết về khó khăn ban đầu này. “Khi bắt đầu từ con số không thì chúng tôi lấy đâu ra công nghệ và thiết bị? Đây là một trong những điều vướng mắc nhất khi triển khai một công nghệ mới ở Việt Nam”.

Câu chuyện đã được bắt đầu nhưng rồi dừng lại ở đó. Nhưng chẳng lẽ vì khó khăn này mà một ứng dụng tiên tiến sẽ không thể triển khai ở Việt Nam? Là người trong cuộc và hiểu được lợi ích mà người dùng sẽ được hưởng nếu triển khai thành công kỹ thuật này, anh Nguyễn Đức Tuấn và đồng nghiệp ở Trung tâm Kỹ thuật hạt nhân không khỏi trăn trở “Kỹ thuật này rất tiềm năng để chế tạo một thiết bị đo độ ẩm đất, khắc phục được những mặt hạn chế của phương pháp đo điểm và viễn thám. Nghiên cứu thử nghiệm của IAEA trên các diện tích trồng ngô ở Mỹ đã cho thấy, việc phát hiện độ ẩm đất bằng phương pháp này có thể giúp tiết kiệm được 1 triệu lít nước/ha ở vùng khô hạn”.

Nắm chắc nguyên lý cơ bản của kỹ thuật, anh cho rằng sẽ có nhiều điểm vô cùng thuận lợi với thiết bị bởi sự vô tận và ổn định của nguồn neutron: tia vũ trụ tương tác với các thành phần của bầu khí quyển sẽ tạo ra bức xạ thứ cấp đâm xuyên xuống Trái đất, trong đó có neutron. Các neutron tương tác với hydro của nước ở trong đất và bị hấp thụ tùy theo hàm lượng nước trong đất, “hàm lượng nước trong đất càng thấp thì lại càng đo được nhiều neutron, ngược lại độ ẩm càng lớn thì càng đo được ít”, anh giải thích. Với tính năng ưu việt của kỹ thuật này và lợi ích nó mang lại, các quốc gia như Mỹ, Úc, Đức và Anh đã đầu tư rất lớn để tạo ra mạng lưới quan trắc độ ẩm đất quốc gia.

Có lẽ nào phương pháp này không thể áp dụng ở Việt Nam? Câu hỏi này đã khiến anh Nguyễn Đức Tuấn nghĩ đến một đề tài riêng biệt để “nắm bắt công nghệ, chế tạo được sản phẩm trong nước và sẵn sàng triển khai khi có điều kiện hợp tác”. “Nguyễn Đức Tuấn từng tham gia vận hành lò phản ứng Đà Lạt nhiều năm và giỏi về điện tử hạt nhân. Đây là lý do khiến chúng tôi ủng hộ đề xuất của anh ấy”, TS. Trần Chí Thành, Viện trưởng Viện NLNTVN, cho biết như vậy.

Đó là khởi điểm của đề tài cấp Bộ “Nghiên cứu, thiết kế chế tạo đầu dò neutron vũ trụ bằng tổ hợp đa tinh thể nhấp nháy sử dụng cho việc đo độ ẩm của đất” (2021-2022). Ước mơ của những người làm điện tử hạt nhân là làm chủ được công nghệ và chế tạo được thiết bị. Trong lễ công bố Viện NLNTVN là tổ chức KH&CN đặc biệt vào đầu năm 2016, giáo sư Phạm Duy Hiển cho rằng, một trong năm bước đột phá để đưa Viện lên tầm Đông Nam Á và quốc tế là cần chú trọng đẩy mạnh nghiên cứu về hạt nhân với việc sản xuất ra thiết bị ứng dụng, có thể sử dụng rộng rãi ở nhiều lĩnh vực y tế, công nghiệp, nông nghiệp… Đó là lý do vì sao anh Nguyễn Đức Tuấn và cộng sự mong muốn làm tốt nhiệm vụ.

Nỗ lực từng bước

Khi bắt tay vào thực hiện đề tài, nhóm nghiên cứu cho rằng, sản phẩm công nghệ mình làm ra phải mới và vượt trội so với những thiết bị cùng loại. “Hiện đã có một số hệ thống thương mại dựa trên công nghệ neutron vũ trụ nhưng sử dụng các đầu dò phóng xạ cổ điển và cần thông tin ở các trạm quan trắc neutron trên thế giới”, anh Nguyễn Đức Tuấn nói. Do đó, chúng có điểm bất lợi là thêm công đoạn xử lý dữ liệu offline để suy ra độ ẩm đất.

Trong quá trình tìm hiểu về các loại đầu dò tiên tiến, anh gặp FINAPP SRL, một công ty khởi nghiệp từ khoa Vật lý và thiên văn, trường ĐH Padova (Ý) với sản phẩm sau 10 năm nghiên cứu và được IAEA công nhận. Điểm mới của họ là sử dụng vật liệu nhấp nháy mới để dò neutron thay cho chất khí có giá thành đắt đỏ, có thể đo thông lượng hạt muon tại chỗ – loại hạt cơ bản cùng tầng với neutron, để có được thông tin về neutron mà không cần các trạm mặt đất và hơn nữa, hiệu chỉnh được trực tiếp số đếm neutron để tính ra số liệu độ ẩm đất theo thời gian thực. “May mắn là mối quan hệ giữa hai bên mang tính học thuật nhiều hơn. Đối tác thấy hứng thú và sẵn sàng chia sẻ thông tin, hỗ trợ tích cực khi thấy một nơi còn đang phát triển như mình mà lại quan tâm đến kỹ thuật mới chỉ áp dụng ở châu Âu và một số nước khác trên thế giới", anh Nguyễn Đức Tuấn nói".

Trải qua năm đầu tiên, họ đã thiết kế và chế tạo được một hệ thiết bị khá hoàn chỉnh có thể quan trắc được độ ẩm đất trong vùng có bán kính 300 mét từ điểm đặt thiết bị và sâu đến 50 cm. “Với khoảng 30 ha đất thì chỉ cần đặt một trạm là đủ”, anh cho biết. “Do đó, thiết bị này rất phù hợp để áp dụng ở quy mô trang trại. Mặt khác, nếu liên kết các trạm quan trắc này với nhau thì chúng ta có thể tạo ra một mạng lưới cảnh báo hạn hán với dữ liệu liên tục theo thời gian thực. Trong hệ thống này, ngoài đầu dò phóng xạ còn có các cảm biến về nhiệt độ, độ ẩm, áp suất khí quyển để có thể đo cả các thông số về thời tiết nhằm hiệu chỉnh số đếm neutron để cho ra được giá trị độ ẩm đất chính xác nhất”.

Muốn được thị trường chấp nhận, sản phẩm cần phải được tối ưu và trở nên tiện dụng trong nhiều trường hợp. Do vậy, nhóm nghiên cứu cố gắng làm tốt những gì có thể để tạo ra một thiết bị hữu dụng và tiên tiến như vận hành bằng năng lượng mặt trời, truyền dữ liệu theo công nghệ IoT qua mạng 4G LTE đến hệ thống máy chủ và các ứng dụng. “Nó ưu việt ở chỗ là khi lắp đặt không xâm lấn đến môi trường xung quanh, thông tin được xử lý tự động và người dùng luôn có được các số liệu về độ ẩm đất mà không phải thao tác nhiều”, anh Nguyễn Đức Tuấn nói.

Lý giải nguyên nhân vì sao mới một năm đã hoàn thành được sản phẩm đầu tay, anh cho biết, Trung tâm đã có một quá trình tích lũy kiến thức và kinh nghiệm cơ bản và luôn nuôi dưỡng tinh thần sẵn sàng tìm hiểu cái mới: “Từ lâu, chúng tôi hướng đến mục tiêu nội địa hóa thiết bị điện tử hạt nhân bởi thông thường, thiết bị trong lĩnh vực này khá đắt đỏ. Ngoài giá thành cạnh tranh so với thiết bị ngoại nhập, nó sẽ có thêm nhiều tính năng khác mà chúng tôi thiết kế thêm như các thành phần điện tử, phần mềm xử lý số liệu, tính toán truyền dẫn, kết nối IoT…”.

Để chứng thực chất lượng của sản phẩm, họ vẫn cần thời gian – nguyên một năm ở phía trước để đưa thiết bị ra hiện trường để kiểm chứng khả năng hoạt động so với thiết kế. Dẫu phần việc này còn chưa bắt đầu nhưng thật vui là họ đã tìm được đối tác. Anh nói, “Cục Viễn thám (Bộ TN&MT) lâu nay vẫn quan trắc hạn hán bằng các chỉ số khí tượng thủy văn và ảnh viễn thám. Do phương pháp thiếu chính xác nên họ rất muốn có một cách tiếp cận mới thông qua hợp tác với Viện NLNTVN, trước mắt có thể ứng dụng vào nhiệm vụ phân vùng và cảnh báo hạn hán quốc gia”.

Tuy nhiên, với một sản phẩm “hay ho” như vậy, phạm vi ứng dụng không dừng ở đó. “Khi thiết kế, chúng tôi đã thấy nó phù hợp với xu hướng nông nghiệp thông minh. Vì vậy chúng tôi đặt ra tiêu chí phải đảm bảo được chất lượng, đạt tiêu chuẩn nhưng giá thành phải thấp để có điều kiện phổ biến rộng rãi hơn”. Anh mường tượng, nhờ thiết bị này, người ta có thể nhận biết được thông tin về độ ẩm đất, không khí, thời tiết… để ra quyết định tưới tiêu để cây có thể tăng trưởng tốt mà không làm tốn quá nhiều nước, mang lại hiệu quả kinh tế thiết thực.

Đây sẽ là một giải pháp vô cùng có ích cho nông nghiệp Việt Nam, cả hiện tại và tương lai. Theo báo cáo của Worldbank, lĩnh vực sử dụng nhiều nước nhất ở Việt Nam là trồng trọt với 81%, tiếp đến là nuôi trồng thủy sản 11%. Đây sẽ là sức ép rất lớn lên nguồn nước Việt Nam trong tương lai, khi biến đổi khí hậu được dự đoán là có thể dẫn đến một tương lai hạn hán. Một sản phẩm có thể không thể giải quyết được mọi vấn đề về nước của nền nông nghiệp nhưng xét cho đến cùng, nó sẽ góp phần giúp công việc canh tác ấy bớt rủi ro hơn.

Trong hệ thống đo độ ẩm đất bằng neuton vũ trụ, ngoài đầu dò phóng xạ còn có các cảm biến về nhiệt độ, độ ẩm, áp suất khí quyển để có thể đo cả các thông số về thời tiết nhằm hiệu chỉnh số đếm neutron để cho ra được giá trị độ ẩm đất chính xác nhất.