Một Kế Hoạch Mạnh Mẽ để Truyền Năng Lượng Mặt Trời Từ Không Gian

Cho dù bạn đang che phủ sa mạc, bãi đỗ xe xấu xí, kênh đào, hoặc thậm chí những hồ nước nhiều nắng bằng tấm pin mặt trời, đám mây đôi khi sẽ làm trở ngại—và mỗi ngày mặt trời đều phải mọc. Không vấn đề gì, Cơ quan Vũ trụ Châu Âu nói: Chỉ cần đặt các mảng pin mặt trời lên không gian. 

Cơ quan này vừa công bố một chương trình thám hiểm mới mang tên Solaris, mục tiêu là tìm hiểu xem việc phóng các cấu trúc mặt trời vào quỹ đạo, sử dụng chúng để khai thác năng lượng của mặt trời, và truyền năng lượng xuống đất có tính kỹ thuật và kinh tế là khả thi hay không.

Nếu ý tưởng này trở thành hiện thực, vào đầu những năm 2030, Solaris có thể bắt đầu cung cấp năng lượng mặt trời dựa trên không gian liên tục. Cuối cùng, nó có thể chiếm 10 đến 15 phần trăm nhu cầu năng lượng của châu Âu, đóng vai trò trong mục tiêu của Liên minh châu Âu để đạt được khí thải carbon tới mức net-zero vào năm 2050. “Chúng tôi đang nghĩ về khủng hoảng khí hậu và nhu cầu tìm ra giải pháp. Không gì có thể không gian làm để giúp giảm nhẹ biến đổi khí hậu—không chỉ theo dõi nó từ trên cao, như chúng ta đã làm trong vài thập kỷ qua?” đặt câu hỏi Sanjay Vijendran, người đứng đầu sáng kiến và đóng vai trò hàng đầu trong chương trình Mars của cơ quan.

Động lực chính của Solaris, theo Vijendran, là nhu cầu về nguồn năng lượng sạch liên tục. Khác với năng lượng hóa thạch và hạt nhân, năng lượng mặt trời và gió là không liên tục—thậm chí những trang trại mặt trời nhiều nắng nhất cũng đứng im phần lớn thời gian. Việc lưu trữ lượng năng lượng lớn từ nguồn tái tạo sẽ không khả thi cho đến khi công nghệ pin được cải thiện. Tuy nhiên, theo Vijendran, các dãy pin mặt trời trên không gian có thể tạo ra năng lượng hơn 99 phần trăm thời gian. (Phần còn lại khoảng 1 phần trăm thời gian, Trái Đất sẽ nằm trực tiếp giữa mặt trời và dãy pin, che chắn ánh sáng.)

Chương trình—không liên quan đến tiểu thuyết khoa học viễn tưởng cùng tên của Stanisław Lem—được coi là một chương trình “chuẩn bị”, có nghĩa là ESA đã hoàn thành một nghiên cứu thử nghiệm, nhưng chưa sẵn sàng cho phát triển quy mô đầy đủ. Nó yêu cầu thiết kế một chứng minh công nghệ trên quỹ đạo, phóng nó vào năm 2030, phát triển một phiên bản nhỏ của nhà máy điện mặt trời không gian vào giữa những năm 2030, và sau đó mở rộng quy mô một cách đột phá. Hiện tại, các nhà nghiên cứu ESA sẽ bắt đầu bằng cách nghiên cứu về việc làm thế nào để tự động lắp ráp các mô-đun của một dãy pin mặt trời lớn, ví dụ như khi đang ở quỹ đạo cách biệt khoảng 22.000 dặm. Như vậy, cấu trúc sẽ luôn ở phía trên một điểm cụ thể trên mặt đất, bất kể quay của Trái Đất.

Đối với dự án tiến triển, Vijendran và đội của ông phải xác định trước năm 2025 rằng việc triển khai năng lượng mặt trời từ không gian một cách hiệu quả về chi phí là hoàn toàn khả thi. NASA và Bộ Năng lượng Hoasen đã khám phá khái niệm này vào những năm 1970 và 1980, nhưng đặt sang một bên vì chi phí và thách thức về công nghệ. Tuy nhiên, nhiều thay đổi lớn đã xảy ra từ đó. Chi phí phóng lên đã giảm, chủ yếu nhờ tên lửa có thể tái sử dụng. Satellites đã trở nên rẻ hơn để sản xuất hàng loạt. Và chi phí của cell quang điện, chuyển đổi ánh sáng thành điện năng, đã giảm, khiến cho năng lượng mặt trời trong quỹ đạo trở nên cạnh tranh hơn với nguồn năng lượng trên mặt đất.

Tuy nhiên, còn một khó khăn: Làm thế nào để đưa toàn bộ năng lượng đó xuống lưới điện? Có thể sử dụng tia laser, nhưng đám mây sẽ che chắn chúng. Thay vào đó, Vijendran và đồng nghiệp của ông nghĩ rằng chuyển đổi điện thành sóng vi sóng là cách tiến lên. Những sóng đó sẽ truyền qua khí quyển một cách mượt mà mà không mất nhiều năng lượng. Nhưng vì tia vi sóng trở nên lớn hơn qua những khoảng cách rộng, và bộ phát sẽ ở rất cao, điều đó có nghĩa là cần phải xây dựng một trạm nhận lớn—và do đó rất đắt tiền—trên mặt đất, có lẽ là một trạm có diện tích lớn hơn một km vuông.

Nhưng các nhà nghiên cứu cũng đang xem xét các thiết kế khác nhau. Ví dụ, họ có thể triển khai ba hoặc nhiều hơn các mảng nhỏ hơn ở quỹ đạo Trái Đất trung bình. Thay vì hoạt động ở một điểm cố định trên bầu trời, như một vệ tinh đồng bộ quay theo Trái Đất sẽ làm, chúng sẽ tạo ra một hệ thống truyền tải. Mỗi khi một mảng xoay ra khỏi phạm vi truyền tải, một mảng khác sẽ thay thế và tiếp tục truyền năng lượng xuống. Điều này có thể cho phép năng lượng mặt trời gần như đồng đều, dự đoán được, được thu thập tại nhiều địa điểm trên mặt đất. Nó cũng có thể cho phép máy thu nhỏ hơn, vì các mảng sẽ gần Trái Đất hơn, theo lời của Sergio Pellegrino, phó giám đốc dự án Năng lượng Mặt Trời Không Gian tại Viện Công nghệ California, một dự án bổ sung cho Solaris.

Đối với bản chứng nhận công nghệ, vào ngày 3 tháng 1, Pellegrino và đội ngũ của ông đã phóng một tàu vũ trụ Vigoride được sửa đổi do công ty vận chuyển không gian Momentus xây dựng. Nó bao gồm ba thí nghiệm: Alba, kiểm tra các loại tế bào quang điện khác nhau; Maple, kiểm tra truyền tải năng lượng vi sóng không dây; và Dolce, kiểm tra triển khai của một cấu trúc nhẹ. “Bạn gói gọn toàn bộ điều này và phóng một loạt chúng, sau đó tạo ra một chòm sao trên không gian. Bằng cách tích hợp tất cả các yếu tố, chúng tôi dự đoán rằng có thể thực hiện điều này với một chi phí bản chất giống như việc sản xuất điện trên Trái Đất ngày nay,” Pellegrino nói. Họ ước tính rằng thiết kế này có thể tạo ra điện với giá $0.10 mỗi kilowatt-giờ.

Các nhóm khác cũng đã tiến xa với năng lượng mặt trời không gian, bao gồm Dự Án Năng Lượng Không Gian. Tổ chức có trụ sở tại London, một đối tác giữa chính phủ Anh, nhà nghiên cứu và ngành công nghiệp, bắt đầu thực hiện theo báo cáo năm 2021 khuyến khích tiếp tục nghiên cứu về năng lượng mặt trời không gian. “Chúng tôi nhận ra rằng chính phủ sẽ gặp khó khăn trong việc theo đuổi một khái niệm đầy tham vọng như vậy mà không thấy rằng ngành công nghiệp, đặc biệt là ngành năng lượng, ủng hộ mạnh mẽ,” Martin Soltau, cộng tác chủ tịch của dự án, nói.

Soltau và đồng nghiệp của ông đang phát triển một khái niệm vệ tinh mang tên CASSIOPeiA. Thiết kế của nó có bộ thu luôn hướng về mặt trời, và nó có thể chứa một quỹ đạo elip, có thể đến gần Trái Đất hơn so với một quỹ đạo tròn. Nó có thể thực hiện cấu hình như vậy với bốn hoặc năm tàu vũ trụ nhỏ với chi phí thấp hơn so với một cấu trúc lớn phức tạp ở độ cao cao hơn, ông nói. Ngoài ra, SEI đang nỗ lực tăng cường sự hỗ trợ tài chính của mình ngoài chính phủ Anh: Hiện tại, họ đang thảo luận với đối tác quốc tế tiềm năng, bao gồm cả Ả Rập Saudi.

Và các tổ chức khác cũng tham gia vào lĩnh vực năng lượng mặt trời không gian, bao gồm Northrop Grumman và Air Force Research Laboratory, đang hợp tác để nghiên cứu về khả năng sử dụng năng lượng mặt trời không gian cho mục đích quân sự. Cơ quan không gian của Nhật Bản có chương trình năng lượng mặt trời, và cũng như Trung Quốc, kế hoạch của nó là thực hiện thử nghiệm bằng trạm không gian mới của đất nước Tiangong.

Triển khai một loạt các cấu trúc như vậy ở quỹ đạo đặt ra nhiều câu hỏi và lo ngại có thể xảy ra. Nhà thiên văn đã chú ý đến tính phản xạ của các vệ tinh đã bắt đầu biến đổi bầu trời đêm, như trong mạng lưới Starlink rộng lớn của SpaceX. Điều này có thể gây vấn đề cho hình ảnh thiên văn học và thay đổi quan điểm về các chòm sao của mọi người. Nhưng các kỹ sư năng lượng mặt trời nói rằng họ dự định cho các mảng của họ để hấp thụ ánh sáng mặt trời; nếu chúng kết thúc phản ánh bất cứ điều gì, đó sẽ là dấu hiệu của việc chúng đã được thiết kế kém chất lượng.

Và cũng có thể có một số lo ngại về việc sử dụng tia vi sóng; một số quốc gia đã nghiên cứu laser năng lượng hướng dẫn như vũ khí có thể chống lại tàu vũ trụ. Mặc dù các tia có cường độ thấp cần thiết cho năng lượng mặt trời không gian không thể gây hại cho bất cứ thứ gì hoặc ai đó, các mảng cần có một dải tần số cụ thể để chúng không tạo ra giao thoa phổ với các vệ tinh hoặc radio thiên văn học khác. Chúng có thể cần có các khe quỹ đạo của riêng họ nữa, để quản lý giao thông vũ trụ và tránh va chạm.

Tuy nhiên, nếu nó hoạt động, và trong vài thập kỷ các mảng năng lượng mặt trời đưa vào quỹ đất và cung cấp hàng tỷ watt năng lượng, nó có thể mang lại lợi nhuận lớn. Nó có thể bổ sung cho các hình thức năng lượng sạch khác và là một phần của giải pháp cho biến đổi khí hậu—và nó gần hơn nhiều so với việc công nghiệp hóa năng lượng hợp nhất, ví dụ. Pellegrino chỉ ra rằng các công nghệ liên quan đã đủ chín để chuyển nó qua giai đoạn lý thuyết, và vào việc xây dựng và thử nghiệm phần cứng. “Đây là một lĩnh vực có cơ hội và hứa hẹn rất lớn,” ông nói.

Cập nhật lúc 2/7/2023 3:00 chiều ET: Câu chuyện này đã được cập nhật để làm rõ hiệu suất của một mảng năng lượng mặt trời triển khai ở quỹ đạo đồng bộ quay theo Trái Đất.