Châu Âu muốn khai thác sức mạnh của mặt trời… từ không gian

Chuyển đổi sang năng lượng sạch là cấp bách — và Châu Âu đã cam kết đạt được khí lượng zero vào năm 2050. Nhưng chỉ dựa vào các nguồn năng lượng tái tạo hiện tại không đủ. Sự gián đoạn trong cung cấp, áp lực về sử dụng đất đai, khả năng mở rộng và rủi ro chất thải độc hại giới hạn tốc độ và hiệu quả của những giải pháp đó.

Nhưng có hy vọng. Cơ quan Vũ trụ Châu Âu (ESA) đã đang nghiên cứu một giải pháp công nghệ mới có thể vượt qua tất cả những thách thức này: năng lượng mặt trời được truyền không dây từ không gian xuống Trái Đất — còn được biết đến là năng lượng mặt trời từ không gian (SBSP).

Mặc dù điều này có vẻ như là khoa học viễn tưởng, ý tưởng này khả thi hơn so với âm thanh. Mặt trời luôn có sẵn, không cạn kiệt và bền vững. Khai thác năng lượng của nó từ trên Trái Đất sẽ hiệu quả hơn so với các giải pháp năng lượng mặt trời trên mặt đất phụ thuộc vào thời tiết. Trên thực tế, ánh sáng mặt trời trung bình nhiều hơn mười lần so với ở đỉnh của khí quyển so với bề mặt Trái Đất.

Câu hỏi là chúng ta phải làm thế nào để quản lý điều này?

Tầm nhìn của ESA về SBSP là gì?

Theo cơ quan này, Châu Âu có thể sử dụng chuyên môn xây dựng và phóng các vệ tinh truyền thông để phát triển và mở rộng các phiên bản năng lượng mặt trời.

Khi hoàn thành, những vệ tinh này sẽ thu thập toàn bộ năng lượng của mặt trời 24 giờ mỗi ngày, bảy ngày mỗi tuần và truyền tải nó xuống Trái Đất không dây đến các trạm thu. Sau đó, chúng sẽ chuyển đổi nó thành điện và đưa vào lưới điện.

Nhưng đây không phải là một nhiệm vụ đơn giản và vì lý do này, ESA đã tạo ra Solaris, một chương trình chuẩn bị sẽ giúp Châu Âu đưa ra quyết định cuối cùng vào năm 2025 về khả năng phát triển đầy đủ của năng lượng mặt trời từ không gian.

Phối hợp với ngành công nghiệp châu Âu, chương trình tập trung vào các nghiên cứu và phát triển công nghệ. Mục tiêu là phát triển khả năng kỹ thuật và đánh giá ưu điểm, tùy chọn triển khai, cơ hội kinh doanh và rủi ro của SBSP như một phần góp phần vào việc giảm carbon của năng lượng trên Trái Đất.

Thách thức, lợi ích và khả năng thực thi

Theo ESA, năng lượng mặt trời từ không gian sẽ đòi hỏi sự phát triển công nghệ mới, nhưng nó chủ yếu dựa trên các nguyên lý công nghệ hiện tại và vật lý đã biết.

Kích thước lớn của cấu trúc cần gửi lên không gian để hoàn thiện vệ tinh mặt trời — cùng với số lượng phóng điều này đòi hỏi — cũng không còn là một yếu tố cản trở nữa. Sự giảm đáng kể cả về chi phí phóng và phát triển phần cứng không gian trong thập kỷ qua khiến cho việc xây dựng như vậy trở nên kinh tế khả thi, đặc biệt khi kết quả cuối cùng là một nguồn năng lượng sạch liên tục.

Để hiểu rõ về lợi ích tiềm năng, một vệ tinh năng lượng mặt trời duy nhất theo quy mô kế hoạch sẽ tạo ra khoảng 2GW điện. Đó tương đương với một nhà máy điện hạt nhân truyền thống, có thể cung cấp điện cho hơn một triệu ngôi nhà. So với đó, cần hơn sáu triệu tấm pin mặt trời trên bề mặt Trái Đất để tạo ra lượng năng lượng tương đương.

Nhằm đánh giá khả năng thực hiện và tiềm năng của năng lượng mặt trời từ không gian, ESA đã ủy thác vào đầu năm 2022 hai nghiên cứu độc lập về chi phí so với lợi ích từ Frazer-Nash ở Anh và Roland Berger ở Đức.

Xem xét yêu cầu thị trường tương lai và dự đoán công nghệ, những nghiên cứu này kết luận rằng, khi triển khai ở quy mô lớn, năng lượng mặt trời từ không gian sẽ mang lại lợi ích môi trường, kinh tế và chiến lược đáng kể cho Châu Âu.

Cụ thể, đến năm 2040, SBSP có thể đóng góp vào việc cung cấp điện bền vững và có giá cạnh tranh cho các gia đình và doanh nghiệp châu Âu theo hai cách khác nhau.

Đầu tiên, với tư cách là một nguồn điện cố định, SBSP có thể so sánh với các nguồn năng lượng hóa thạch tương đương (hạt nhân, carbon, và khí với công nghệ chụp carbon), mà nó có thể thay thế, giảm thiểu dấu chân môi trường của chúng.

Thứ hai, nó có thể bổ sung cho các nguồn năng lượng tái tạo hiện tại (như năng lượng mặt trời PV và gió), mà ngay cả khi chúng mở rộng đến mức cần thiết cho kịch bản Khí lượng zero vào năm 2025, vẫn cần sự hỗ trợ một phần từ nguồn điện cố định. Thêm năng lượng mặt trời từ không gian vào mix năng lượng tái tạo không chỉ giúp cung cấp sự ổn định và đáng tin cậy cho lưới điện, mà còn giảm nhu cầu về giải pháp lưu trữ quy mô lớn.

Tuy nhiên, các nghiên cứu chứng minh rằng cần phải có một số phát triển công nghệ đầy thách thức để tăng tính khả thi của việc thu thập hàng tỷ watts điện năng trong không gian và truyền tải nó một cách hiệu quả và an toàn xuống Trái Đất.

Các công nghệ đang được phát triển là gì?

Là một phần của chương trình Solaris, ESA đã kêu gọi ngành công nghiệp công nghệ châu Âu kiểm tra khả thi của các phát triển công nghệ khác nhau cần thiết cho triển khai năng lượng mặt trời từ không gian.

Với việc SBSP là một lĩnh vực rộng lớn đa ngành, có nhiều điểm tập trung khác nhau, từ cải thiện hệ thống mảng điện quang và tế bào năng lượng mặt trời, đến các hệ thống động cơ tiên tiến.

Để biết thêm chi tiết, chúng tôi đã trò chuyện với hai công ty tham gia dự án: Công ty có trụ sở tại Bỉ Space Applications Services và Công ty có trụ sở tại Thụy Sĩ Astrostrom.

Lắp ráp robot hóa của phần cứng

Dịch vụ Ứng dụng Vũ trụ của Bỉ đang tìm hiểu về việc lắp ráp trạm Năng lượng Mặt trời từ không gian.

“Hệ thống SBSP thường [rất lớn] so với bất cứ thứ gì từng được con người đưa vào không gian, có chiều rộng hàng km, trong khi những hệ thống lớn nhất được lắp ráp trong không gian chỉ “không lớn hơn” một sân bóng đá,” Diego Urbina, Trưởng nhóm Dự án Tương lai và Khám phá, cho biết với TNW.

Vì không thể phóng toàn bộ các bộ phận trong một lần, lắp ráp trong không gian là điều cần thiết.

“Skybeam là một dự án mà chúng tôi đang nghiên cứu và mô phỏng việc sử dụng Robot Đa tay phát triển trong dự án MIRROR của ESA (ban đầu được thiết kế để lắp ráp một kính viễn vọng), hoặc thậm chí là hàng trăm robot làm việc cộng tác để xây dựng trạm lớn,” Urbina giải thích.

Ý tưởng là một tàu vũ trụ sẽ vận chuyển nhiều Robot Đa tay đến giai đoạn ban đầu của trạm — tiếp theo là việc giao hàng riêng biệt của các module trạm còn lại. Những robot sau đó sẽ nắm và đặt vị trí từng module một cách tuần tự cho đến khi trạm hoàn thành.

Cả robot và trạm sẽ có công nghệ HOTDOCKS độc quyền của công ty, một giao diện ghép nối cho phép lắp ráp các vệ tinh modul.

Theo Urbina, mục tiêu là “tạo điều kiện thuận lợi cho việc lắp ráp, sửa chữa và hoạt động nói chung thông qua tính linh hoạt này.”

Một trạm năng lượng mặt trời trên Mặt trăng

Astrostrom của Thụy Sĩ đang theo đuổi một cách tiếp cận khác để tận dụng năng lượng của Mặt trời từ không gian: Mặt trăng.

“Thay vì xây dựng các vệ tinh năng lượng mặt trời lớn trên Trái Đất, mà phải rất hiệu quả và đắt đỏ và phải phóng chúng từ bề mặt Trái Đất với chi phí lớn, đề xuất của chúng tôi là lắp đặt khả năng công nghiệp trên Mặt trăng để xây dựng vệ tinh năng lượng mặt trời từ chủ yếu là nguyên liệu của Mặt trăng và để lắp ráp chúng tự động trong quỹ đạo,” Arthur Woods, Giám đốc điều hành của công ty, cho biết với TNW.

Mục tiêu ban đầu sẽ là cung cấp năng lượng cho các hoạt động trên Mặt trăng, và sau khi thành công, mở rộng các hoạt động này để xây dựng vệ tinh năng lượng mặt trời (SPS) cung cấp nguồn năng lượng cho Trái Đất.

“Mặc dù điều này có thể nghe có vẻ như một điều trong tương lai xa xôi, nhưng bản đồ chiến lược và thời gian phát triển SBSP từ Trái Đất hoặc trên Mặt trăng sẽ khoảng giống nhau sau khi cam kết đã được thực hiện. Thực sự, sự phát triển này có thể được thực hiện song song,” Woods lưu ý.

Cái được gọi là Trạm Năng lượng Mặt trăng GE⊕ (GE⊕-LPS) đòi hỏi phát triển nhiều công nghệ khác nhau, Giám đốc điều hành Astrostrom giải thích. Đầu tiên, là sự cần thiết phải sản xuất các thành phần của trạm năng lượng mặt trời trên Mặt trăng: điện quang (PV) và các yếu tố cấu trúc.

Vì môi trường trăng không cho phép sản xuất điện quang hiệu quả cao như cách chúng được sản xuất trên Trái Đất, công ty đang tìm kiếm các quy trình sản xuất điện quang đơn giản hơn có thể được điều chỉnh.

Cũng cần khai thác và chế biến regolith trăng để cung cấp nguyên liệu cần thiết cho điện quang và các yếu tố cấu trúc được yêu cầu.

Theo Woods, “Điều này phải là một quy trình tự động hóa cao cấp có thể được kiểm soát hoặc giám sát từ Trái Đất và chỉ yêu cầu một đội ngũ nhân viên tối thiểu trên Mặt trăng để khắc phục sự cố và duy trì một số công việc bảo dưỡng. Khi các hoạt động đạt đến cấp độ sản xuất hàng loạt, hệ thống tự động hóa nên liên tục đưa ra các yếu tố để vận chuyển lên quỹ đạo của Mặt trăng.”

Sau đó, một hệ thống vận chuyển mạnh mẽ sẽ được yêu cầu để chuyển các vệ tinh entweder lên quỹ đạo Mặt trăng để lắp ráp hoặc xuống quỹ đạo Trái Đất để cung cấp năng lượng.

Astrostrom muốn tránh việc sử dụng tên lửa phóng — điều này sẽ đòi hỏi các cơ sở lớn trên Mặt trăng để sản xuất nhiên liệu tên lửa từ nguồn tài nguyên nước trăng khan hiếm — và đang xem xét việc sử dụng Thang máy Vũ trụ Mặt trăng (LSE) có thể được phát triển với vật liệu hiện có và triển khai bằng các hệ thống phóng hiện có.

“LSE sẽ là một sợi dây dài từ 100.000-200.000 km từ bề mặt Mặt trăng hướng về Trái Đất và các tải trọng sẽ di chuyển bằng điện. Do đó, một LSE sẽ trở thành một dự án hạ tầng không gian rất có giá trị có thể dẫn đến các phát triển kinh tế khác trong khu vực không gian cislunar,” Woods giải thích.

Việc triển khai SBSP sẽ mang lại lợi ích gì cho toàn bộ châu Âu?

Solaris có thể khởi động một ngành công nghiệp năng lượng không gian mới của châu Âu sẽ mang lại cơ hội lớn cho sự đổi mới và tăng trưởng kinh tế — trong không gian và trên Trái Đất.

Theo ESA, các phát triển công nghệ đề xuất mang lại nhiều lợi ích và ứng dụng chung. Ví dụ, kỹ thuật sản xuất và lắp ráp robot có thể được áp dụng vào việc sản xuất trên quỹ đạo của nhiều hệ thống con của vệ tinh lớn, điều này có thể cải thiện viễn thông và quan sát Trái Đất.

Các tiến triển trong công nghệ truyền tải năng lượng không dây (WPT) có thể đóng góp vào việc kích thích thị trường truyền tải năng lượng không dây trên Trái Đất, hoặc việc sử dụng WPT để kích thích các hoạt động khám phá Mặt trăng hoặc Sao Hỏa. Hướng tới SBSP cũng có thể dẫn đến các tế bào năng lượng mặt trời hiệu suất cao và các hệ thống chuyển đổi năng lượng tiên tiến.

Cuối cùng, việc sản xuất và bảo dưỡng năng lượng mặt trời từ không gian có tiềm năng tạo ra một thị trường thương mại sẽ mang lại lợi ích cho doanh nghiệp và trường đại học châu Âu bằng cách giúp các công ty tham gia vào lĩnh vực phát triển công nghệ không gian mới nổi này.

“Một số yếu tố của SBSP vẫn ở giai đoạn rất sớm, và do đó cần nghiên cứu học thuật. Trong khi đó, một số cần sự sáng tạo của các startup, một số cần một mức độ kinh nghiệm tốt từ các công ty không gian, một số cần cái nhìn bên ngoài và chuyên môn của các công ty không phải là không gian (như từ ngành năng lượng), và một số cần một tổng quan hệ hệ thống có thể được cung cấp bởi các nhà tích hợp hệ thống lớn,” nói Advenit Makaya, Kỹ sư Sản xuất Tiên tiến tại ESA.

Nhưng quan trọng nhất, SBSP có thể là giải pháp chúng ta cần để đáp ứng nhu cầu năng lượng của xã hội chúng ta và cứu trái đất.

“Châu Âu có nhu cầu, có kiến thức công nghệ và có phương tiện tài chính để trở thành một nhà lãnh đạo trong lĩnh vực này,” Woods nói. Nếu thực sự Châu Âu tiến triển với dự án này, nó sẽ đảm bảo vị thế chiến lược của mình trong cuộc đua quốc tế để tìm kiếm các giải pháp năng lượng sạch có thể mở rộng để giảm biến đổi khí hậu.

Và khi cuộc đua quốc tế đang trở nên căng thẳng — với các quốc gia như Mỹ, Trung Quốc, Nhật Bản, Hàn Quốc và Nga cũng theo đuổi công nghệ này — ESA kêu gọi đầu tư thêm vào nghiên cứu và phát triển công nghệ.

Tương lai của SBSP sẽ được quyết định vào năm 2025 và cho đến khi đó, dự án Solaris sẽ hy vọng đã xác định được liệu ngành công nghiệp không gian, ngành công nghiệp công nghệ và giáo dục đại học châu Âu có thể hoàn toàn khai thác được sức mạnh của mặt trời để giúp cứu trái đất của chúng ta.