Khoa học công nghệ và đổi mới sáng tạo lĩnh vực kinh tế biển trong tương lai- Triển vọng đến 2030

Một trong những động lực năng động nhất thúc đẩy sự phát triển nền kinh tế biển trong tương lai là KH&CN. Tri thức mới là một phạm vi ngày càng tăng các công nghệ đang dần lan tỏa mọi lĩnh vực kinh tế biển và một khi được ứng dụng và thích nghi, càng có tác dụng thúc đẩy đổi mới sáng tạo hơn nữa. Nhiều thiến bộ KH&CN ( đang được chuẩn bị) được dự báo sẽ có những tác động biến đổi. Đáng chú ý là những lợi ích đổi mới tiềm năng thu được từ sự kết hợp các công nghệ đại dương khác nhau, việc xây dựng các công trình biển đa mục đích, tập hợp các hoạt động kinh tế biển thuộc các lĩnh vực khác nhau và tìm kiếm sự phối hợp giữa các ngành kinh tế biển. Để làm được điều đó, các sáng kiến được đề xuất để tạo ra các diễn biến quốc tế nhằm tập hợp, ví dụ các cụm hàng hải, các phòng thí nghiệm đổi mới hay các trung tâm xuất sắc về khoa học biển, để thúc đẩy sự đổi mới đa ngành và chức năng trong lĩnh vực đại dương

Trong khi khoa học mở ra tiềm năng mới thì công nghệ làm cho các hoạt động của con người trong đại dương thành hiện thực. Trong một số trường hợp, việc ứng dụng các công nghệ, riêng lẻ hay kết hợp, đã mang đến những đổi mới gia tăng quan trọng và làm thay đổi từng bước cho tất cả các ngành kinh tế biển; trong một số trường hợp, công nghệ còn có thể tạo nên những thay đổi và đôi khi còn có tính phá hủy sáng tạo để tạo ra các sản phẩm và quy trình, các mô hình kinh doanh, hàng hóa và thị trường lao động. Quan trọng hơn, nhiều tiến bộ KH&CN được bắt nguồn từ các hoạt động kinh tế biển và hàng hải, cho thấy khả năng của kinh tế biển trong việc sáng tạo tri thức và ứng dụng.

Tri thức mói cùng với sự phát triển công nghệ đã thúc đẩy hoạt động đổi mới sáng tạo với tốc độ vượt trội. Các đại dương đang được khai thác mạnh hơn bao giờ hết, nhiều nghiên cứu chỉ ra rằng đã đạt đến một điểm mà tại đó tốc độ thay đổi sẽ tăng nhanh hơn cả khả năng tự điều chỉnh của đại dương để có thể đáp ứng.

Cụ thể, Ủy ban đại dương toàn cầu gần đây đã xác định 5 tác nhân làm suy giảm đại dương, tất cả đều liên quan đến phát triển kinh tế, đó là: Nhu cầu về tài nguyên và tiến bộ công nghệ gia tăng; suy giảm trữ lượng cá, biến đổi khí hậu, sự mất đi đa dạng sinh học và môi trường sống; và quản lý yếu kém các vùng biển.Ủy ban này và nhiều nhà quan sát nhất trí rằng cần nhiều đổi mới sáng tạo hơn nữa nếu con người muốn tiếp tục nâng cao năng suất của đại dương trong khi vẫn bảo vệ được toàn vẹn sinh thái

1. Khoa học: Kiến thức cần thiết với nền kinh tế biển

Khoa học đã, đang và sẽ tiếp tục là một yếu tố tác động đến sự phát triển kinh tế mạnh mẽ tại các vùng biển và đại  dương. Ví dụ các nghiên cứu hải dương học đã phát hiện ra, ví dụ như mối kết nối khí hậu- đại dương có liên hệ chặt chẽ với năng suất nông nghiệp. Các nghiên cứu sinh học đã khám phá râ một mảng kiến thức rộng lớn về các đa dạng sống, với những khám phá mới luôn được tạo ra. Các nghiên cứu hóa học phát hiện ra chu trình dinh dưỡng và quá trình hóa học độc đáo không thấy ở bất cứ nơi nào khác trên trái đất. Các nghiên cứu địa chất đã cho chúng ta một sự hiểu biết chưa từng thấy về trái đất cũng như về các nguồn tài nguyên khoáng sản. Thậm chí gần đây, tri thức khoa học mới về biển và các đại dương và tầm quan trọng đối với sự phát triển của con người và sự hiểu biết của chúng ta về các đại dương đã trở thành chủ đề của nhiều báo cáo. Trong đó bao gồm cả việc phát hiện ra các sinh vật mới dưới đáy đại dương.

Việc thiếu kiến thức về các đại dương đã thúc đẩy phát triển nhiều nỗ lực với quy mô rộng lớn và dại hạn nhằm đạt được một mức độ hiểu biết toàn diện hơn. Một ví dụ gần đây là cuộc thống kê sinh vật biển được tiến hành trong giai đoạn 2000-2010 và đã thu hút nguồn tài trợ vượt qua 1 tỷ USD từ các nguồn tư nhân và nguồn kinh phí  công. Kết quả đã làm tăng đáng kể con số ước tính về các loại sinh vật đang sống trong các địa dương: Mỗi mẫu vật thu thập lần thứ hai ở vùng nước sâu hơn 3000m đều là mới đối với khoa học và chưa được mô tả trước đây.

Tóm lại, vẫn còn nhiều điều chưa biết về các đại dương và giá trị kinh tế của những gì chúng ta đã khám phá vẫn còn chưa được tính toán.

Mặc dù toàn diện đáy biển đã lập được bản đồ, nhưng tỷ lệ vẫn còn lớn với mức độ chi tiết khoảng 5km2. Theo cơ quan quản lý khí quyển và đại dương quốc gia Hoa Kỳ (NOAA); chỉ có đến 5% diện tích đáy biển được khám phá chi tiết. Khi nói đến quản lý khai thác kinh tế, sự thiếu kiến thức này đã đưa các chính phủ vào tình trạng thiếu các công cụ cơ bản, chẳng hạn như bản đồ địa chất về đáy biển- một công cụ trung tâm của mọi hệ thống quản lý khoáng sản trên đất liền- hoặc thiếu các dữ liệu để phân tích hiệu suất kinh tế của các mô hình khai thác khác nhau.

Cơ bản hơn sự hiểu biết khoa học về đại dương – các thuộc tính, hành vi, sức khỏe của đại dương, vai trò trong biến đổi khí hậu và ảnh hưởng đến thời tiết…..đều rất cần thiết cho sự kiểu biết và quản lý các hệ sinh thái biển. Tương tự, đó là một điều kiện tiên quyết đối với sự vận hành bền vững tất cả các ngành kinh tế biển. Do đó, quan trắc đại dương là nền tảng của khoa học đại dương. Một loạt các cơ sở hạ tầng cần thiết để thực hiện quan trắc đại dương hiện đại bao gồm các công cụ như tàu nghiên cứu trên biển; vệ tinh viễn thám, thông tin liên lạc và định vị toàn cầu;  các bệ giàn và hệ thống nổi chìm và cố định; lập mô hình và cơ sở hạ tầng điện toán, cũng chư lưu trữ và quản trị dữ liệu lớn. Phần lớn đầu tư vào nghiên cứu, thu thập dữ liệu và cơ sở hạ tầng đều bằng chi phí công. Trong khi có nhiều xúc tiến quan trắc đại dương đã đánh giá hiệu quả của những đóng góp cho  các lĩnh vực khoa học ( như hiện tưởng biển, độ a xít hóa…), nhưng vẫn còn ít hoặc không có các nỗ lực đánh giá giá trị kinh tế của các dữ liệu được tạo ra. Tuy nhiên, kiến thức về giá trị kinh tế có thể giúp tạo ra mối quan tâm và sự tham gia tài chính lớn hơn nhiều trong nghiên cứu đại dương và trong một số trường hợp giúp xác định ưu tiên những nỗ lực nghiên cứu.

Một khía cạnh cần được cân nhắc rộng hơn về các xúc tiến khoa học dài hạn đó là khả năng đóng góp của khu vực tư nhân. Trong trường hợp lập bản đồ đáy biển, yếu tố này đặc biệt quan trọng bởi vì số lượng các dữ liệu cần thu thập, ví dụ như về các ngành dầu khí cũng như ngành thủy sản là rất lớn. Trong các lĩnh vực khác; hợp tác công tư đã phát triển mạnh, bao quát một lĩnh vực rộng lớn các nguồn tài nguyên sinh học và di truyền, với nhiều dự án nghiên cứu đã được xúc tiến giữa các trường đại học, các trung tâm nghiên cứu và các công ty dược phẩm. Các lĩnh vực hợp tác bao gồm phát hiện và phân tích vật liệu di truyền, nghiên cứu lâm sàng và tiền lâm sàng, cũng như làm đăng ký sáng chế và quyền sở hữu. Mức độ hợp tác này đã được nhấn mạnh trong các cuộc thảo luận đang diễn ra theo công ước liên hợp quốc về đa dạng sinh học để chuẩn bị cho một hiệp định quốc tế về việc tiếp cận và sử dụng các nguồn tài nguyên sinh học tại các vùng nằm ngoài thẩm quyền quốc gia.

2. Phát triển công nghệ gia tăng trong nền kinh tế biển

Trong tiến trình vài thập kỷ tới, một loạt các công nghệ tạo khả năng có triển vọng kích thích những cải tiến về hiệu quả, năng suất và cơ cấu phí tổn trong nhiều hoạt động đại dương, từ nghiên cứu khoa học và phân tích hệ sinh thái đến vận tải biển, năng lượng, nghề cá và du lịch. Những công nghệ này bao gồm cảm biến hình ảnh và vật lý, các công nghệ vệ tinh, vật liệu tiên tiến, công nghệ thông tin và truyền thông, phân tích dữ liệu lớn, các hệ thống tự hành, công nghệ sinh học, công nghệ nano và kỹ thuật dưới biển.

Vật liệu tiên tiến

Các loại vật liệu kim loại, gốm sứ, polime và composite đang ngày càng được ứng dụng trong các hoạt động hàng hải. Lợi ích của chúng chủ yếu nằm ở khả năng làm cho các cấu trúc cứng, chắc và bền hơn. Khi các hoạt động dầu khí ngoài khơi ngày càng di chuyển xuống tầng nước sâu hơn, sự liên kết từ đáy biển đến bề mặt và đặc biệt là đến các phao nổi ngoài khơi ngày càng di chuyển xuống tầng nước sâu hơn, sự liên kết từ đáy biển đến bề mặt và đặc biệt là đến các phao nổi, gây nhiều áp lực lên hệ thống neo (ví dụ như neo cáp), cáp điện và đường điều khiển (umbilical). Việc sử dụng vật liệu composite như poliester aramid và kevlar trong dây cáp đang thu hút nhiều sự quan tâm, còn để sử dụng cho sản xuất áo giáp và ống đứng phun khí.

Công nghệ nano

Mặc dù công nghệ nano chủ yếu liên quan đến khoa học vật liệu, công nghệ tạo khả năng này có một phạm vi rộng các ứng dụng. Ngày càng có thêm nhiều loại vật liệu đang được thiết kế ở cấp nano và đang tìm kiếm ứng dụng, ví dụ như các vật liệu tự chẩn đoán, tự chữa lành và làm sạch, trong màng phủ, lưu trữ năng lượng và điện tử nano. Chúng có chứa bề mặt được xử lý để ngăn ngừa nhiễm bẩn; sự phát triển các phân tử sinh học mới có thể ứng dụng để tăng khả năng thu hồi dầu, và các chất xúc tác sinh học ứng dụng xử lý sinh học trong ô nhiễm dầu. Trong vận tải biển, các vật liệu cấu trúc nano mới cho phép bảo vệ chống ăn mòn bề mặt cũng như có đặc tính tự sửa chữa. Số lượng các công bố, bằng sáng chế và các ứng dụng thị trường liên quan công nghệ nano đã bùng nổ trong mười năm gần đây và được dự báo sẽ có tác động đáng kể đến sự phát triển ngành kinh tế biển hàng hải. Như một dấu hiệu chung, trong khi số đơn trung bình hàng năm xin cấp bằng sáng chế về công nghệ nano trong những năm 1990 là 300, thì trong giai đoạn từ năm 2000-2012, con số này đã tăng lên 1800.

Công nghệ sinh học

Công nghệ sinh học (gồm cả di truyền) là một công nghệ tạo khả năng nữa đã phát triển mạnh mẽ trong 30 năm gần đây và sẽ tiếp tục có tác động lan tỏa trong tương lai đối với hầu hết nếu không nói là tất cả các lĩnh vực kinh tế biển. Nghề nuôi trồng thủy sản quy mô thương mại đã nhiều năm nay phải phụ thuộc vào công nghệ cho phép này, ví dụ như gây giống các loài, vắc xin và phát triển thức ăn…Sự phát triển các hợp chất hóa sinh mới từ trong các lĩnh vực dược phẩm, mỹ phẩm, thực phẩm và thức ăn đều dựa trên cơ sở các đặc điểm di truyền. Tương lai của các tảo nhiên liệu sinh học cũng như các ngành công nghiệp sinh học biển (biomarine) mới, như các lĩnh vực dựa trên mô phỏng sinh học có khả năng đứng vững nhờ sự phát triển hơn nữa trong công nghệ sinh học.

Công nghệ và công trình dưới đáy biển

Khi nhiều ngành công nghiệp hàng hải, như dầu khí ngoài khơi, năng lượng tái tạo đại dương, năng lượng gió ngoài khơi, nuôi trồng thủy sản, khai thác khoáng sản đáy biển và thu giữ carbon đều sẽ phát triển trong những năm tới, nhiều thách thức chung được dự báo sẽ rõ ràng hơn bao giờ hết. Đó là việc cải tiến công nghệ lưới điện dưới nước, phát triển truyền tải điện đến và đi từ đất liền, thiết kế hệ thống điện ngầm dưới biển, cải thiện độ an toàn đường ống dẫn và phát triển các thiết bị neo buộc cho các công trình cố định và nổi.

Với lịch sử hoạt động ngoài khơi lâu dài, ngành công nghiệp dầu khí đang là lĩnh vực đi đầu về đổi mới dưới biển. Mục tiêu cho tương lai là có thể lắp đặt dưới biển một lượng tối đa các chức năng cần thiết để sản xuất hydrocarbon từ mỏ dầu, mục tiêu cuối cùng là có thể xây dựng một mỏ dầu mà không cần phao nổi và với các thiết bị hoạt động dưới biển được điều khiển từ xa, các phương tiện trên bờ hoặc cơ sở xuất khẩu. Hơn nữa, tầm nhìn dài hạn đó là hướng tới các thiết bị dưới biển được cấp năng lượng hoàn toàn bằng điện mà không cần đến các nguồn năng lượng khác. Thách thức rất lớn là: Để vận hành mỏ dầu dưới biển với tất cả các thiết bị bơm tách chạy điện nằm dưới đáy biển được cho là cần đến một nguồn điện 50MW (và thậm chí lớn hơn nếu thiết bị xử lý nước cũng nằm dưới biển).

Trong lĩnh vực năng lượng đại dương và năng lượng gió ngoài khơi, những đổi mới công nghệ mở ra các cơ hội cải tiến giá thành của ngành. Quan trọng nhất là những công trình hỗ trợ cho phép tiếp cận các vùng nước sâu hơn và một lưới điện tích hợp đầy đủ dựa trên một mạng lưới truyền tải điện một chiều cao áp (HVDC). Các công trình hỗ trợ được thiết kế cho các vùng nước sâu có thể phát triển tại những nơi có vận tốc gió trung bình lớn và liên tục. Kết quả là làm tăng sản lượng năng lượng hàng năm, mặc dù sự phát triển ở các vùng nước sâu như vậy không phải là không có những thách thức riêng. Các bệ móng nổi mở ra cơ hội tiếp theo. Quan trọng hơn cả là Nhật Bản, Hoa Kỳ sẽ dựa vào các bệ móng nổi để xây dựng ngành công nghiệp địa phương, với khối lượng tài nguyên gió ngoài khơi của các nước này nằm ở vùng nước có độ sâu hơn 100m. Lưới tích hợp, bao gồm cả kết quả nối qua biên giới, sẽ cần phải dựa trên cơ sở truyền tải HVDC do khoảng cách từ bờ và lượng điện được truyền tải tăng lên. Kết nối như vậy có lợi ích làm tăng an ninh cung ứng năng lượng bằng cách giảm sự biến thiên của năng lượng gió tổng hợp và do đó cân bằng chi phí

Cảm biến và tạo ảnh

Công nghệ cảm biến tạo ảnh đang được hưởng lợi đáng kể nhờ xu thế tiểu hình hóa và tự động hóa, nhu cầu ngày càng tăng và các thiết bị công suất thấp, chi phí thấp trong đo lường và hiển thị môi trường đồ họa, và các chuyển động mang đến cho các cảm biến “trí thông minh”

Trong quan trắc đại dương, các bộ cảm biến thông minh mới, các kỹ thuật và nền tảng mới phát triển đang mang đến những cải tiến đáng kể về độ nhạy, độ chính xác, độ ổn định, độ bền chịu ứng suất và sức căng trong môi trường đại dương, từ những năm 1990 đã có những tiến bộ đáng kể về tự động cảm biến các đặc tính vật lý chính như dòng, độ mặn và nhiệt độ. Những tiến bộ đó đã tạo nên cơ sở cho các dự án quan trắc toàn cầu như AGRO và OceanSites, cung cấp các bộ dữ liệu hỗ trợ các GOOS. Thập kỷ vừa qua đã chứng kiến sự xuất hiện của các cảm biến mới lạ có thể giám sát nitrat, methane và các vi chất dinh dưỡng. Các nỗ lực hiện nay đang tập trung vào sự tự xử lý tại chỗ trong đo lường sinh học và hóa học về đa dạng sinh học biển, bên cạnh đó cũng chú trọng đến việc giảm yêu cầu điện năng của bộ cảm biến và triển khai thu nhỏ các bộ vi cảm biến để có thể gắn trên các tàu lượn và phao, thậm chí cả động vật sống dưới nước.

Không chỉ cộng đồng khoa học mà cả ngành công nghiệp và doanh nghiệp có thể được hưởng lợi từ tiến bộ tương lai trong lĩnh vực cảm biến và tạo ảnh. Các công ty khai khoáng dưới đáy biển hiện đang triển khai các kỹ thuật viễn thám cho phép định lượng không chỉ phạm vi không gian mà cả độ sâu của mỏ sunfua lớn dưới đáy biển. Trong lĩnh vực dầu khí, các công cụ địa vật lý mới đang được phát triển bao gồm cả các hệ thống ảnh muối bazo, sub bazan, và địa xảo. Trong điều kiện nước sâu và khí hậu khắc nghiệt, công nghệ nhận dạng các tai biến địa chất và rủi ro môi trường đang ngày càng đóng vai trò quan trọng. Ở Bắc cực, khí hậu và môi trường là những yếu tố quyết định chủ yếu đối với tốc độ phát triển kinh tế trong khu vực. Tuy nhiên, một trong những vấn đề chính các chủ thể kinh tế phải đối mặt, đó là sự hữu hiệu các dữ liệu toàn diện, đáng tin cậy về khí hậu và môi trường, điều đó sẽ cho phép họ lập kế hoạch đầu tư tương lai và vận hành các cơ sở. Tuy nhiên, do sự ấm lên toàn cầu và lớp băng bao phủ rút xuống, các dữ liệu truyền thống không đủ khả năng dự đoán các điều kiện thời tiết và khí hậu cốt yếu, chẳng hạn hiện tượng băng di chuyển, tần suất các cơn bão..,Do đó , các công cụ KH&CN nhằm nâng cao kiến thức và sự hiểu biết về khí hậu Bắc cực sẽ có tầm quan trọng đặc biệt. Ví dụ, nhiều chuyên gia cho rằng điều kiện thời tiết cực đoan ( đặc biệt là bão địa cực) sẽ gia tăng về tần suất và cường độ, tạo nên một mối nguy hiểm thực sự đối với các hoạt động vận tải biển, dầu khí, đánh cá.,,,Ngoài ra, rất khó để có thể dự đoán sự thay đổi của cấu trúc băng. Sự chuyển động của lớp băng non,” mỏng manh” ở Bắc Cực (băng năm thứ nhất và thứ hai), dường như rất nhạy cảm với gió mạnh, lớp băng này di chuyển nhanh hơn và ít có khả năng dự đoán hơn so với băng già hơn, ổn định hơn và điều này dẫn đến mối đe dọa với thăm dò và khoan giếng.

Việc thu thập dữ liệu trong ngành vận tải biển thương mại ngày càng có khả năng tự xử lý bằng việc triển khai một mạng lưới các cảm biến từ xa có khả năng giao tiếp và truyền tải dữ liệu trong thời gian thực. Sự phát triển kiến trúc kết nối mạng không dây mạnh mẽ cho ngành vận tải biển sẽ đòi hỏi các bộ cảm biến phải có một loạt các tính năng, như hiệu chuẩn, khả năng kháng lỗi và thân thiện sinh thái, tiêu thụ năng lượng cực thấp và kích thước tiểu hóa.

Công nghệ Vi sinh

Các chức năng khác nhau của vệ tinh- truyền thông, điều hướng, định vị, cảm biến và theo dõi từ xa- đã được xac định là một cơ sở hạ tầng quan trọng cho mọi khía cạnh của nền kinh tế biển, từ khoa học biển, giám sát môi trường đại dương và lập bản đồ đáy biển, cho đến nhận dạng và theo dõi tàu tầm xa, giám sát thủy sản và liên lạc với các công trình ngoài khơi. Trong những năm tới, hoạt động đổi mới trong lĩnh vực công nghệ được đẩy mạnh. Những cải tiến được kỳ vọng, chẳng hạn như trong quang học, dữ liệu hình ảnh, độ phân giải cảm biến, chất lượng và số lượng dữ liệu truyền vệ tinh…và cả trong lĩnh vực độ bao phủ vệ tinh khi càng có thêm nhiều hệ thống vệ tinh hơn được đưa vào quỹ đạo ( ví dụ copernicus, Galileo)và việc triển khai vệ tinh nhỏ, vệ tinh micro và vệ tinh nano cho phép quan trắc và theo dõi ngày càng phù hợp hơn và chính xác.

Những cải tiến đổi mới như vậy sẽ cổ vũ cho những thay đổi dần trong nhiều lĩnh vực. Ví dụ như 1) hiện thực hóa việc trao đổi thông tin toàn diện hơn giữa các hệ thống (chẳng hạn như triển khai giữa các nhóm người sử dụng mới trong vận tải biển; giữa các hệ thống trên tàu và trên bờ để điều hướng và hoạt động chính xác; các nhiệm vụ giám sát tàu); 2) kết hợp nhiều tính năng vệ tinh (radar, theo dõi tàu bằng hệ thống nhận dạng tự động (AIS) và VMS, và thông tin liên lạc) đề xây dựng hoàn chỉnh hơn “bức tranh hàng hải” hay “nhận thức về các vùng biển”, để cung cấp một cách tiếp cận tổng hợp nhằm tìm kiếm và nhận diện các tàu không thông báo; 3) phát triển nhiều dải quang phổ để tăng cường giám sát các vùng nước ven biển phức tạp về quang học, và nâng cao độ phân giải cho các quan sát quỹ đọa cực; 4) ghép nối vệ tinh với các máy bay không người lái trong quan trắc phân giải cao, lập bản đồ, phân tích môi trường và đa dạng sinh học,…..

Tin học hóa và phân tích dữ liệu lớn

Các kỹ thuật xử lý dữ liệu và các ứng dụng được cải thiện thông qua việc áp dụng công nghệ máy thông minh và các hệ thống tính toán xử lý thông tin theo các cách giống như bộ não con người, dự báo chỉ ra rằng khả năng xử lý những khối lượng dữ liệu cực lớn sẽ tăng lên trong những năm tới; chắc chắn sẽ cung cấp những cách thức sáng tạo và hiệu quả để giải nghĩa tốt hơn về những hiện tượng phức tạp, nâng cao hiểu biết về các tương tác phức tạp, và cải thiện việc ra quyết định trong nhiều lĩnh vực khác nhau của nền kinh tế biển.

Trong ngành công nghiệp dầu khí, ví dụ, một số lượng lớn các dữ liệu được thu thập ở tất cả các giai đoạn thăm dò, sản xuất, vận chuyển, lọc và phân phối. Khả năng kết nối và phân tích dữ liệu của các công đoạn này là một bước cần thiết để cho phép cải thiện đáng kể trong các quyết định kinh doanh liên quan đến thăm dò, đầu tư sản xuất, xác định vị trí lượng tồn kho, lập kế hoạch sản xuất và an toàn.

Trong công nghệ gió ngoài khơi, các công cụ phần mềm mới đang cho phép tối ưu hóa các trang trại gió với nhiều biến số sắp xếp dãy. Trong lĩnh vực năng lượng đại dương tái tạo, những tiến bộ về công nghệ thông tin đang hỗ trợ sự phát triển các dãy hệ thống điện ( array electrical system) và phân tích tương tác dãy (array interaction analysis), và kết nối nhiều thiết bị với đáy biển để giảm chi phí. Trong du lịch biển, kết nối ngoài khơi cho các phi hành đoàn và hành khách cho đến nay đã chứng tỏ là một thách thức kỹ thuật khó khăn. Nhưng các công ty du lịch lớn giờ đây đã bắt đầu đầu tư mạnh để nâng cấp mạng băng thông rộng trên tàu bằng ứng dụng công nghệ vệ tinh sử dụng các quỹ đạo gần Trái đất hơn các vệ tinh thông thường,. Hoặc bằng cách xây dựng một cách tiếp cận “lai ghép” sử dụng vệ tinh và công nghệ đa truy cập các mạng mặt đất.

Các hệ thống tự hành

Trong các môi trường biển, việc triển khai các phương tiện di chuyển tự động dưới nước (AUV), các thiết bị lặn điều khiển từ xa (ROV), các phương tiện tự hành và bán tự hành trên bề mặt (ASV), máy bay không người lái, các trạm thu thập dữ liệu và chuyển tiếp dữ liệu đặt tại chỗ, có khả năng phát triển đáng kể. Hơn nữa, khi yêu cầu tăng về độ an toàn, an ninh và năng suất, và nhiều tiến bộ đã đạt được trong tiểu hình hóa, điều khiển chuyển động và cảm biến nhận thức, và bảo dưỡng trên tàu và bảo dưỡng từ xa. Ngành đóng tàu và chế tạo thiết bị hàng hải cũng được dự báo sẽ là nơi thu hút các ứng dụng của các hệ thống tự hành vào năm 2030 tạo nên một mức độ tự động hóa cao hơn; sử dụng các thuật toán thông minh để chuyển đổi 2D sang 3D và đẩy nhanh quy trình thiết kế; gia công cộng (3D printing) cho phép tự do thiết kế theo yêu cầu và sản xuất các sản phẩm có hình dạng phức tạp mà sẽ rất tốn kém nếu sản xuất theo phương pháp truyền thống. Các cảng biển hiện đại đang chứng kiến một sự chuyển hóa từ tự động một phần sang tự động hóa toàn bộ khâu xử lý bốc dỡ hàng hóa. Ví dụ kho cảng Maasvlakte II tại Rotterdam, mở cửa vào tháng 4/2015, hoàn toàn không cần đến nhân viên làm việc trong bộ phận xử lý hàng hóa. Kết hợp với các công nghệ khác, chẳng hạn như một hệ thống vệ tinh hiệu suất cao, các loại phương tiện AUV, ROV và ASV có triển vọng tạo ra đổi mới không phải là gia tăng, mà là những đổi mới khá triệt để trong một số lĩnh vực.

Những đổi mới từng bước và đột phá kết hợp với nhiều công nghệ

Ngoài những đổi mới gia tăng nêu trên còn có nhiều triển vọng nổi lên và hội tụ của nhiều công nghệ khác nhau nhằm mang lại những thay đổi căn bản trong tích lũy tri thức và thực hành công nghiệp hàng hải. Ở đây nêu bốn ví dụ minh họa của những đổi mới có tính đột phá hoặc ít nhất cũng là thay đổi từng bước, mô tả các tác động của chúng đến nhiều ngành kinh tế biển. Đó là lập bản đồ đáy đại dương, hải đồ điện tử và vận chuyển thông minh, chiến lược bền vững xử lý tràn dầu ngoài khơi và truy xuất nguồn gốc trữ lượng cá và các sản phẩm khá.

Vẽ bản đồ đáy biển

Tiến bộ mới trong công nghệ đo độ cao vệ tinh và quản trị dữ liệu đã tạo khả năng lập bản đồ toàn bộ đáy biển của hành tinh. Mặc dù vậy, độ phân giải của các dữ liệu toàn cầu vẫn còn ở mức thấp:1,5 km, vì vậy mặc dù bản đồ cung cấp một bức tranh tổng thể chung về tầng đáy đại dương, nhưng chi tiết vẫn rất hạn chế. Công nghệ vệ tinh và các mô hình trọng lực là những công cụ mạnh mẽ để lập bản đồ cấu trúc kiến tạo, đặc biệt là ở khu vực biển sâu. Một nghiên cứu gần đây đã kết hợp các ghép đo độ cao bằng radar từ các vệ tinh CryoSat-2 và Jason-1 với các dữ liệu hiện có để xây dựng một mô hình trọng lực biển toàn cầu có trình độ chính xác cao gấp hai lần các model trước đây, cho phép phát hiện các ngọn núi lửa đã tắt dưới đáy biển và hàng ngàn ngọn núi dưới biển không được ghi trên bản đồ trước đó.

Vẽ bản đồ với độ phân giải cao và chi tiết hơn là một vấn đề khác. Cho đến nay, chỉ có khoảng 5% đáy đại dương trên toàn cầu đã được lập bản đồ với độ phân giải cao (thường là bằng hệ thống sóng siêu âm đa chùm tia hiện đại). Lập bản đồ đáy biển có độ phân giải cao là một công cụ quan trọng về nhiều khía cạnh: Để phát hiện và quan sát ở thang độ rõ nét hơn và với độ chính xác lớn hơn địa hình thấp nhỏ và sự cấu thành đáy biển; có được kiến thức chi tiết hơn về toàn bộ hệ sinh thái đáy biển; bảo vệ và theo dõi sinh vật biển; xác định các nguồn tài nguyên thiên nhiên, và điều chỉnh khảo sát tài nguyên dưới đáy biển, khai thác và thiết bị…

Câu hỏi đặt ra là phải mất bao nhiêu lâu để vẽ bản đồ với độ phân giải cao cho 95% còn lại của đáy đại dương. Theo tính toán sơ bộ cho thấy một tàu nghiên cứu lập bản đồ hiện đại bậc trung, được trang bị công nghệ hiện đại và làm việc độc lập sẽ mất 1042 năm để thực hiện nhiệm vụ này. Nếu sử dụng 104 tàu chuyên dụng sẽ mất khoảng 10 năm. Việc quản lý, xử lý và diễn giải dữ liệu cũng đặt ra một thách thức lớn: tàu nghiên cứu lập bản đồ hạng trung bình sử dụng công nghệ hiện đại có thể tạo ra được 267 triệu terabye dữ liệu.

Quy mô của nhiệm vụ cho thấy ít nhất phải có 2 tiến trình hành động. Điều trước tiên là phải cần có sự hợp tác quốc tế. Khảo sát đáy biển xuyên Atlantic lần đầu tiên sẽ được tiến hành theo chỉ đạo của Liên minh nghiên cứu Đại Tây Dương triển khai nghiên cứu RV Celtic Explorer của Ailen. Dự án này do một nhóm đa quốc gia thực hiện gồm các chuyên gia lập bản đồ đại dương đến từ Mỹ, Canada và Châu Âu, với thời hạn hoàn thành mục tiêu là năm 2020.

Hàng hải điện tử, Quản lý giao thông đường biển và vận tải thông minh

Tiến bộ trong công nghệ thông tin và truyền thông cũng như trong phân tích dữ liệu lớn dẫn đến sự trao đổi dữ liệu giữa các bên liên quan chính trong ngành vận tải biển tăng mạnh. Các cơ quan chức năng trong ngành sẽ có thể được những thông tin và dữ liệu đúng theo yêu cầu vào bất cứ thời điểm nào, nâng cao hiệu quả thương mại và pháp lý lên cấp độ mới; và chuyển đổi mô hình kinh doanh của ngành công nghiệp. Ví dụ, Loyd’s Register dự đoán rằng

Các hội có quyền truy cập dữ liệu vì mục đích an toàn và phân cấp đăng kiểm; hoặc vì các dịch vụ bổ sung khác theo yêu cầu của khách hàng.

Các chủ tàu có quyền truy cập để biết được trạng thái hoạt động của con tàu.

Các nhà khai thác có thể kiểm soát các dữ liệu hoạt động và hiệu suất

Chủ hàng có quyền truy cập đầy đủ trạng thái hàng hóa và lịch trình

Các cơ quan quản lý như quốc gia tàu treo cờ có thể có được các thông tin tuân thủ luật định

Các quốc gia có cảng biển có quyền truy cạp đến các thông tin về an toàn, vận chuyển hàng hóa và nhân sự.

Bên cạnh đó, số hóa hàng hải cũng đang phát triển mạnh khi các ứng dụng vệ tinh, truyền thông di động, kỹ thuật trực quan, viễn thám và công nghệ radar đang hội tụ xung quanh quản lý ngành hàng hải. Kết quả là, những năm gần đây đã được chứng kiến những phát triển quan trọng trong một số công nghệ trên tàu và gần bờ để cải thiện nhận thức tình huống và việc ra quyết định. Hiện nay các tàu đều được trang bị hệ thống định vị vệ tinh toàn cầu (GNSS) và tất cả đều sẽ sớm có Hệ thống hiển thị và thông tin hải đồ điện tử (ECDIS) đáng tin cậy.

Các sáng kiến khu vực đang được tiến hành nhằm mục tiêu cải tiến về cơ bản lĩnh vực quản lý giao thông đường biển. Ví dụ như dự án Monta Lisa 2.0 của châu Âu, có mục đích nâng cao độ an toàn, cải thiện môi trường và hiệu quả của ngành công nghiệp. Nền tảng quan trọng của chiến lược Route Exchange, nó sẽ nâng cao đáng kể độ an toàn bằng cách bổ sung các dữ liệu có sẵn cho thủy thủ trên tàu (ví dụ như tuyến đường, vị trí, tốc độ,…) với các thông tin về tuyến đường của các tàu khác, điều đó giúp tránh va chạm và các tình huống nguy hiểm khác có thể xảy ra. Ngoài ra trong tương lai sẽ có các trung tâm điều phối giao thông đường biển (STCC) để giám sát giao thông và hỗ trợ các tàu với thông tin địa phương cập nhật, giúp các tàu phát hiện những chuyển động bên ngoài các tuyến đường dự định và đề xuất các tuyến đường thay thế để tránh các vùng tắc nghẽn giao thông, các khu vực nhạy cảm môi trường, có container đang trôi dạt. Các sáng kiến tương tự nhằm nâng cao nhận thức tình huống trên biển đang được tiến hành ở nhiều nơi khác trên thế giới ( ví dụ Úc, Hàn Quốc).

Tuy nhiên, những lợi ích to lớn của các xúc tiến có tính biến đổi lớn chỉ có thể phát huy đầy đủ trên quy mô toàn cầu khi các hệ thống phải tương thích với nhau, đây là điều hiện nay vẫn chưa đạt được, không chỉ đối với các hệ thống công nghệ (ví dụ, việc triển khai trên tàu hệ thống GNSS và ECDIS không được tích hợp đầy đủ và hài hòa với các hệ thống khác, của các tàu khác và với các cơ sở trên bờ) mà các kế hoạch mô tả khu vực. Nếu các tiến bộ công nghệ hiện nay tiếp tục không tương thích, nguy cơ sẽ là sự phát triển tương lai của hệ thống hàng hải sẽ bị cản trở do thiếu sự chuẩn hóa trên tàu và trên bờ, sự không tương thích giữa các tàu và mức độ phức tạp tăng và không cần thiết.

Mô hình khai thác xếp dỡ hàng hóa container từ tàu đến cầu cảng sử dụng thiết bị của Hàn Quốc (Ảnh VISTIP)

Hàng hải điện tử (E-Navigation) được định nghĩa là “ sự thu thập, tích hợp, trao đổi, trình bày và phân tích các thông tin hàng hải hài hòa và trên bờ bằng các phương tiện điện tử để tăng cường các dịch vụ hàng hải và liên quan, về an toàn và an ninh trên biển và bảo vệ môi trường biển”. Đây là một sáng kiến lớn của Tổ chức hàng hải quốc tế để làm hài hòa và tăng cường các hệ thống định vị. Nó được dự kiến sẽ có một tác động đáng kể đến tương lai của ngành hàng hải.

Các chiến lược bền vững ứng phó với sự cố tràn dầu ngoài khơi

Một phạm vi rộng với nhiều công nghệ khác nhau trên toàn thế giới đang được tập trung để phát triển các chiến lược giảm thiểu sự cố tràn dầu và thiết kế các công nghệ mới khắc phục hậu quả. Về vấn đề này, nhiều đổi mới công nghệ đang sẵn sàng để tạo nên một sự “thay đổi mô thức” trong nghiên cứu tràn dầu cho phép sẵn sàng hành động trước một vụ tràn dầu lớn tiếp theo, chứ không phải chỉ cố gắng phát triển các giải pháp trong một tràn dầu.

Vai trò của các công cụ dựa trên phần mềm thông minh trong lập kế hoạch dự phòng ngày càng tăng nhanh. Việc ứng dụng hệ thống hỗ trợ quyết định khẩn cấp (DSSS) hiệu quả trong ứng phó thảm họa có thể làm giảm được thiệt hại về môi trường. Trong các hệ thống phần mềm này có thể bao gồm các công cụ khai để hỗ trợ việc ra quyết định trong các tình huống khẩn cấp. Mặc dù tỏ ra hữu ích, nhưng vẫn còn hạn chế, ví dụ thời gian tính toán dài và tỉ lệ đáp ứng thấp. Tuy nhiên những đổi mới gần đây cho phép khắc phục các hạn chế thông qua việc sử dụng các phương pháp” thông minh” như mạng Neuron nhân tạo  (ANN) ngày càng được sử dụng trong các ứng dụng môi trường, và các công cụ chuẩn bị ứng phó với tình trạng khẩn cấp tràn dầu kết hợp với hệ thống mô hình toán học thông minh – lập luận dựa trên tình huống (CBR), các giải thuật di truyền (GA) và ANN.

Các dữ liệu vệ tinh có vai trò quan trọng trong việc ứng phó sự cố tràn dầu kịp thời và phù hợp. Radar khẩn độ tổng hợp (SAR)trên các vệ tinh đã trở thành một công cụ quan trọng trong việc theo dõi sự cố tràn dầu: nó có lợi thế với vùng lợi, nhưng có yếu điểm như khó khăn trong việc phân biệt sự cố tràn dầu với tảo biển nở hoa, hoặc dầu loang với mặt nước bóng. Tuy nhiên các hạn chế đang được khắc phục bằng nâng cấp vệ tinh cảm biến hữu hình.

Về khía cạnh khắc phục, hiện có bốn loại ứng phó công nghệ chủ yếu: 1) xử lý hóa chất (chất phân tán, thiết bị khử mùi nhũ tương); 2) đốt cháy tại chỗ, 3) phục hồi cơ học (gây nổ, hớt bọt, phân tách dầu-nước, các chất hấp phụ); và 4) xử lý sinh học được quan tâm đặc biệt, các vi sinh vật phát sinh tự nhiên ở hầu hết các hệ sinh thái biển có khả năng phân hủy hydrocarbon dầu mỏ. Có đến hàng chục ngàn hợp chất hóa học có dầu thô có thể bị phân hủy bời những quần thể vi khuẩn tự nhiên này.

Truy xuất nguồn gốc trữ lượng cá và sản phẩm thủy sản

KH&CN có thể đòng góp theo những cách quan trọng để thực thi và bảo tồn hiệu quả nguồn thủy sản thông qua việc phát hiện và giám sát các quần thể cá hoang dã và truy xuất nguồn gốc các loài cá và sản phẩm cá. Những năm gần đây đã chứng kiến một số cải tiến đáng chú ý trong lĩnh vực này, có tiềm năng nên một cuộc cách mạng trong quản lý nguồn cá hoang dã trên quy mô không gian địa lý và phòng chống các hoạt động đánh bắt cá bất hợp pháp, không có báo cáo và không được quản lý (IUU). Đó là sự kết hợp một nhóm các công nghệ khác nhau, từ lập trình ADN, sinh-tin học và vi hóa học đến các công nghệ vệ tinh và kỹ thuật địa trực quan hóa dựa trên nền tảng web.

Cho đến nay, một trong những rào cản lớn nhất đối với tiến bộ trong quản lý trữ lượng cá bền vững và truy hồi các hoạt động IUU là những hạn chế trong việc xác định trữ lượng theo địa lý, đây được coi là một chỉ số về nguồn gốc khu vực của cá. Chỉ trong một vài năm, khả năng tiếp cận tới công nghệ “giải trình gen thế hệ mới” đã giúp hoàn toàn thay đổi tình hình. Bằng việc xác định hàng ngàn khác biệt di truyền ở số lượng lớn các gen, công nghệ này đã cho phép thiết kế hàng trăm đến hàng ngàn các gen đánh dấu mới. Sự kết hợp độc đáo của các biến thể di truyền hiện nay cho phép phát hiện các cá thể sinh vật trong các quần thể từ nhiều vùng hơn và với thái độ chắc chắn hơn so với trước đây. Hơn nữa, sử dụng vi hóa học sỏi tai cá (otolith) đã giúp phân biệt giữa các loài cá và giữa các quần thể trong mỗi loài: các kỹ thuật phân tích hình ảnh mới được sử dụng để chụp ảnh, số hóa và phân tích sự khác biệt tinh vi về hình dạng, cho phép truy xuất nguồn gốc của cá ngược trở lại với xuất xứ của chúng.

Thông tin đặc tính di truyền có thể được truy cập công khai thông qua một giao diện bản đồ- một nền tảng trực quan địa lý-chỉ ra các đặc điểm sinh học của các loài trong mối liên quan của chúng đến môi trường( các dòng hải lưu, nhiệt độ, độ mặn,…) và đặt chúng vào trong bối cảnh địa lý. Do đó, dữ liệu và cách khác sử dụng như một công cụ quản lý của hỗ trợ ra quyết định quản lý.

Các cơ quan kiểm soát và chấp pháp được hỗ trợ bổ sung từ những phát triển trong công nghệ vệ tinh. Các vệ tinh được trang bị radar có độ mở đồng thời (synthetic-aperture radar) có thể phát hiện vị trí của các con tàu trong bất cứ điều kiện thời tiết nào. Ngay cả khi một con tàu đã tắt hệ thống AIS hoặc VMS, vẫn có thể truy cập vào biểu đồ đánh cá của tàu và có thể kiểm tra chặt chẽ hơn. Với sự ra đời của nano-vệ tinh, hệ thống theo dõi sẽ trở nên hiệu quả hơn, với khả năng phóng các vệ tinh nhỏ để giám sát IUU với chi phí thấp hơn bao giờ hết.

Sưu tầm và Liên kết nguồn tin tại:

1.OECD (2016, The Ocean Economy in 2030, OECD Publishing, Paris

2.Park, K.S (2014), ” A study on rebuilding the classification system of the ocean economy”. Center for Blue economy in Monterey Institute of International Studies: Monterey, USA.

3. Tổng luận KHCN kinh tế