Mô phỏng EMP
Thực hiện yêu cầu của Chính Phủ
Vào ngày 26 tháng 3 năm 2019, chính phủ Hoa Kỳ đã ban hành lệnh hành pháp về điều phối khả năng chống chịu của quốc gia đối với xung điện từ.
Xung điện từ (hay EMP) được biết đến là có khả năng gây gián đoạn hoặc phá hủy cơ sở hạ tầng công nghệ cao và hệ thống giao thông. Nó thường được sử dụng trong văn hóa đại chúng, đặc biệt là thể loại khoa học viễn tưởng, để miêu tả các mối đe dọa trong tương lai và khả năng phá hủy các cơ sở hoặc phương tiện di chuyển. Chính phủ Hoa Kỳ đã nhận ra rằng mối đe dọa là có thật và hiện tại cần phải thực hiện các bước khẩn cấp để đảm bảo rằng cơ sở hạ tầng quan trọng của quốc gia được bảo vệ.
Vào năm 2019, các hoạt động thương mại hàng ngày của các quốc gia phát triển phụ thuộc nhiều vào cơ sở hạ tầng được kết nối và phân phối để tạo điều kiện cho luồng thông tin và giao dịch lưu thông nhanh chóng. Quan trọng hơn nữa, việc cung cấp các dịch vụ quan trọng như nước và điện cũng phụ thuộc nhiều vào công nghệ cao và các cơ sở kết nối. Với cơ sở hạ tầng có nhiều lỗ hổng, EMP có khả năng làm gián đoạn cuộc sống nghiêm trọng và hành động này của chính phủ Mỹ là kịp thời để nâng cao mức độ quan trọng của vấn đề và thúc đẩy sự cải tiến của các cơ sở hạ tầng.
EMP là gì?
EMP là một vụ nổ ngắn của bức xạ năng lượng điện từ rất cao và nó có thể được tạo ra bởi một vụ nổ hạt nhân ở độ cao nhất định (được gọi là HEMP) hoặc bởi các thiết bị vũ khí hóa được thiết kế đặc biệt cho mục đích gây nhiễu thiết bị điện tử, chẳng hạn như máy vircator (virtual cathode oscillator) tạo ra các xung ngắn của trường vi sóng công suất cao. Ngoài ra còn có các nguồn EMP tự nhiên như được kích hoạt bởi “các cơn phun trào cực quang” (Coronal Mass Ejections) hay còn gọi là Gió mặt trời từ mặt trời.
EMP có thể là mối đe dọa đối với bất kỳ hệ thống điện trên mặt đất, trên không hoặc trên biển trong một khu vực rộng lớn, nhưng điểm nhấn trong nỗ lực của chính phủ tập trung vào bảo vệ cơ sở hạ tầng quan trọng trên mặt đất, bao gồm các cơ sở an ninh liên bang và tiểu bang, truyền tải điện, dịch vụ di động, dữ liệu trung tâm, cơ sở y tế và các dịch vụ quan trọng khác. Mô phỏng xung EMP truyền đến các cơ sở hạ tầng khác nhau được thể hiện trong hình 1-4.
EMP liên kết vào Cơ sở hạ tầng
Năng lượng của EMP hầu hết nằm dưới 100 MHz, với mức giảm mạnh trên mức đó. Ở các bước sóng tương đối dài này, sự liên kết tối đa sẽ nằm trong các đường dây cáp điện dài hơn hoặc các ổ điện lớn. Tuy nhiên, mức trường cao đến mức làm cho cả việc ghép nối yếu cũng có thể phá hủy các mạch điện.
Cơ chế liên kết, cách năng lượng từ các xung EMP liên kết vào hệ thống điện cơ sở hạ tầng, phụ thuộc vào một số yếu tố như là các phương pháp xây dựng và vật liệu xây dựng.
- Tường, mái nhà và lối vào có thể là những điểm xâm nhập chính của EMP nếu không được xây dựng và che chắn đúng cách. Các lối vào có thể hoạt động như các ống dẫn sóng hình chữ nhật để truyền năng lượng vào cấu trúc cơ sở hạ tầng.
- Các điểm xâm nhập có thể có khác bao gồm cửa sổ, khe cửa và bất cứ thứ gì kết nối với thế giới bên ngoài, chẳng hạn như dây cáp hoặc đường ống dẫn điện.
- Các đường ống có thể dẫn EMP vào bên trong một tòa nhà, không chỉ trên bề mặt của đường ống mà còn dọc theo bên trong bằng cách hoạt động như một ống dẫn sóng hình tròn.
- Độ sâu dưới mặt đất của cáp và đường ống có thể ảnh hưởng đến sự liên kết.
- Các đường ống thông gió và định tuyến HVAC cũng cần phải được cân nhắc.
Hình 5 cho thấy mô phỏng sự cố xung EMP trên một cơ sở hạ tầng.
Trên thực tế, có vô số cách để EMP có thể xâm nhập vào một cơ sở và chỉ cần một điểm vào cần thiết để vô hiệu hóa nó. Mọi chi tiết của công trình chi tiết đến từng khe hở và mối hàn đều phải được xem xét. Việc thử nghiệm các tòa nhà hiện có và thậm chí cả các cơ sở mới thường không thực tế và nguy hiểm và trong giai đoạn thiết kế và xây dựng, thường xuyên tuân các quy tắc may rủi hoặc các hướng dẫn chung. Điều này có thể tạo ra một giải pháp quá kỹ thuật, tốn kém và thậm chí tệ hơn, một giải pháp không hoàn chỉnh và nhiều lỗ hổng.
May mắn thay, phần mềm mô phỏng điện từ ngày nay có thể là một công cụ hỗ trợ thiết kế tiết kiệm chi phí hiệu quả và thực tế cao để tìm ra các điểm yếu của cơ sở hạ tầng thông qua tạo mẫu thiết kế ảo. Mọi chi tiết của một cơ sở, bao gồm các khe hở, khoảng trống, vật liệu xây dựng, thậm chí cả đất, đều có thể được mô hình hóa một cách chính xác. Có thể chạy mô phỏng để khảo sát các năng lượng xung khác nhau, các góc cạnh và các loại cơ sở vật chất. Hiển thị hóa mô hình nâng cao sẽ chỉ ra bất kỳ điểm yếu nào và sẽ xác định được các cơ chế liên kết và các biện pháp khắc phục có thể được thực hiện trong môi trường ảo để đảm bảo môi trường vật lý của cơ sở thực sự được bảo vệ trước bất kỳ mối đe dọa tiềm ẩn nào.
Mô phỏng và Mô hình hóa EMP và Cơ sở hạ tầng
CST Studio Suite từ Dassualt Systèmes SIMULIA là chương trình mô phỏng điện từ tiên tiến kết hợp trình time-domain solver tiên tiến nhất thế giới. Một chương trình lý tưởng để tạo xung EMP tạm thời và điều tra sự lan truyền của nó trong toàn bộ miền được mô hình hóa. Phần mềm có khả năng tương thích cao với các công cụ CAD 3D nổi tiếng như SOLIDWORKS, cho phép nhập nhanh các hình học và vật liệu hiện có. Các tham số quan trọng được gói gọn đầy đủ để thiết lập DoE (thiết kế các thử nghiệm) để chạy nhiều tình huống “điều gì xảy ra nếu”. Phần mềm có thể tận dụng các thiết bị và nền tảng đám mây high performance computing (HPC) để đưa ra kết quả nhanh chóng.
Tìm hiểu các biện pháp ngăn chặn EMP
Môi trường ảo cung cấp một phương pháp an toàn và nhanh chóng để nghiên cứu tác động của EMP và thử nghiệm các biện pháp giảm thiểu khác nhau để xác định xem biện pháp nào sẽ cung cấp khả năng bảo vệ đầy đủ nhất và hiệu quả về mặt chi phí trên quy mô lớn.
Các phương thức đề phòng EMP có thể nghiên cứu và mô phỏng bao gồm:
- Bê tông cốt thép và thép che chắn cho các bức tường và mái che của cơ sở.
- Che chắn cáp, nối đất và các đầu cuối tại PoE (điểm vào).
- Lọc xung EMP và kẹp điện áp tại PoE.
- Sử dụng lỗ thông hơi tổ ong cho hệ thống HVAC.
- Triển khai vật liệu hấp thụ trên bề mặt trong của lối vào và thiết lập kích thước mặt cắt ngang của lối vào và do đó ống dẫn sóng hình chữ nhật sẽ cắt bỏ tần số của nó để nằm trong vùng hạn chế sự lan truyền của EMP.
- Triển khai các bộ lọc 3D với các đường ống dẫn vào cơ sở vật chất
Kết luận
Mặc dù có thể không phải là ưu tiên hàng đầu của khách hàng, kiến trúc sư và nhà thầu, nhưng lỗ hổng EMP là một mối đe dọa tiềm ẩn đáng kể đối với cơ sở hạ tầng, bảo mật và thông tin liên lạc trên toàn thế giới. Khi các quốc gia bắt đầu triển khai các mạng truyền thông tiên tiến hơn như 5G với các ứng dụng không chỉ áp dụng cho điện thoại thông minh mà còn trong các lĩnh vực quan trọng khác như chăm sóc sức khỏe và lái xe tự hành, thì khả năng xảy ra thảm họa và thiệt hại trên diện rộng sẽ tăng lên.
Cơ sở hạ tầng quan trọng có thể được bảo vệ trước các mối đe dọa EMP và các công cụ mô phỏng điện từ như SIMULIA CST Studio Suite cung cấp môi trường tạo mẫu ảo để giúp đảm bảo rằng các biện pháp bảo vệ sẽ hoạt động hiệu quả trong thế giới thực, đồng thời giảm thiểu chi phí phát sinh và thời gian xây dựng.
SIMULIA cung cấp danh mục sản phẩm mô phỏng tiên tiến, bao gồm Abaqus, Isight, fe-safe, Tosca, Simpoe-Mold, SIMPACK, CST Studio Suite, XFlow, PowerFLOW và hơn thế nữa. SIMULIA Learning Community là nơi tìm kiếm các tài nguyên mới nhất cho phần mềm SIMULIA và để cộng tác với những người dùng khác. Chìa khóa mở ra cánh cửa tư duy đổi mới và xây dựng kiến thức, SIMULIA Learning Community cung cấp cho bạn những công cụ cần thiết để mở rộng kiến thức của mình, bất kể thời gian và địa điểm.
