Gửi bình luận
Matteo Cerietti, Giảng viên cao cấp về Kỹ thuật Hệ thống Không gian, Đại học Glasgow vừa phân tích về ý tưởng trạm năng lượng mặt trời trong không gian (SBSP) – sử dụng vệ tinh để thu năng lượng từ Mặt trời và “chiếu” năng lượng đó tới các điểm thu trên Trái đất.
Mặc dù có tiềm năng to lớn, ý tưởng này vẫn chưa tạo đủ sức hút do rào cản về chi phí và công nghệ. Nếu giải quyết được các rào cản, SBSP có thể trở thành một phần quan trọng trong quá trình thế giới chuyển đổi từ nhiên liệu hóa thạch sang năng lượng xanh.
Thực tế, chúng ta đang thu hoạch năng lượng mặt trời với rất nhiều trang trại điện mặt trời. Năng lượng mặt trời cũng được thu hoạch một cách gián tiếp: năng lượng gió là một ví dụ, bởi vì gió vốn được tạo ra bởi Mặt trời chiếu sáng bầu khí quyển tạo ra chênh lệch nhiệt độ.
Nhưng các hình thức phát điện “xanh” này có những hạn chế. Chúng chiếm nhiều không gian và bị hạn chế bởi ánh sáng và gió. Ví dụ, các trang trại năng lượng mặt trời không thu được năng lượng vào ban đêm và thu được ít năng lượng hơn vào mùa đông hay những ngày nhiều mây.
Các trạm trên quỹ đạo sẽ không bị giới hạn khi màn đêm buông xuống. Một vệ tinh trong quỹ đạo địa tĩnh (GEO) – quỹ đạo hình tròn cách Trái đất khoảng 36.000 km – tiếp xúc với Mặt trời hơn 99% thời gian trong năm. Điều này cho phép nó tạo ra năng lượng xanh gần như 24/7.
GEO là vị trí lý tưởng khi gửi năng lượng từ vệ tinh đến trạm thu năng lượng mặt đất, vì các vệ tinh ở đây đứng yên tương đối so với Trái đất. Người ta cho rằng năng lượng mặt trời có sẵn từ GEO nhiều gấp 100 lần so với nhu cầu năng lượng của toàn nhân loại vào năm 2050.
Có một vấn đề là việc truyền năng lượng từ trạm không gian xuống mặt đất yêu cầu đường truyền tải không dây. Giải pháp là sử dụng vi sóng để giảm thiểu năng lượng bị mất trong khí quyển, ngay cả khi trời nhiều mây.
Chùm vi sóng do vệ tinh gửi sẽ tập trung về phía trạm mặt đất, nơi ăng-ten chuyển đổi sóng điện từ trở lại thành điện năng. Trạm mặt đất sẽ cần có đường kính từ 5 km trở lên ở điểm có vĩ độ cao.
Nghe có vẻ lớn nhưng con số này vẫn nhỏ hơn diện tích mặt đất cần thiết để xây trang trại năng lượng mặt trời hoặc gió cùng công suất.
Lịch sử phát triển ý tưởng
Nhiều thiết kế đã được đề xuất kể từ ý tưởng đầu tiên của Peter Glaser vào năm 1968.
Một ý tưởng gần đây có tên là SPS-ALPHA (hình trên) đề xuất bộ thu năng lượng mặt trời là một cấu trúc lớn được hình thành bởi rất nhiều gương phản xạ nhỏ gọi là kính định nhật và mỗi gương có thể di chuyển độc lập. Chúng được sản xuất hàng loạt để giảm giá thành.
Vào năm 2023, các nhà khoa học tại Caltech đã phóng MAPLE, một thí nghiệm vệ tinh quy mô nhỏ truyền một lượng điện năng nhỏ trở lại Caltech. MAPLE đã chứng minh rằng công nghệ này có thể được sử dụng để cung cấp năng lượng cho Trái đất.
Một nghiên cứu độc lập cho thấy SBSP có thể tạo ra tới 10GW điện vào năm 2050, bằng 1/4 nhu cầu hiện tại của Vương quốc Anh với độ an toàn và ổn định. Nó cũng sẽ tạo ra ngành công nghiệp trị giá hàng tỉ bảng Anh, với 143.000 việc làm. Cơ quan Vũ trụ Châu Âu đang đánh giá khả năng tính khả thi của SBSP với sáng kiến SOLARIS. Các quốc gia khác gần đây đã công bố ý định thu hoạch năng lượng từ ngoài Trái đất vào năm 2025, chuyển sang các hệ thống lớn hơn trong vòng hai thập niên tới.
Rào cản thách thức và rủi ro
Nếu công nghệ đã sẵn sàng, tại sao SBSP không được sử dụng? Trở ngại chính là khối lượng khổng lồ cần được phóng vào không gian và chi phí đưa mỗi kilôgam lên quỹ đạo rất đắt đỏ.
Các công ty như SpaceX và Blue Origin đang phát triển các phương tiện phóng hạng nặng, tập trung vào việc tái sử dụng các bộ phận của phương tiện đó sau khi chúng đã lên quỹ đạo. Điều này có thể làm giảm 90% chi phí.
Ngay cả khi sử dụng Starship của SpaceX - phương tiện có thể phóng 150 tấn hàng hóa lên quỹ đạo thấp của Trái đất, ta sẽ cần hàng trăm lần phóng để xây dựng trạm theo SBSP. Một số bộ phận, chẳng hạn như giàn kết cấu dài – các thành phần cấu trúc được thiết kế để kéo dài khoảng cách xa – có thể được in 3D trong không gian.
Ý tưởng SBSP sẽ đầy thách thức – và các rủi ro vẫn cần được đánh giá đầy đủ. Một mặt điện được sản xuất hoàn toàn là điện xanh nhưng mặt khác, tác động của ô nhiễm từ hàng trăm vụ phóng tàu hạng nặng rất khó dự đoán.
Ngoài ra, việc kiểm soát một cấu trúc lớn như vậy trong không gian sẽ cần lượng nhiên liệu đáng kể, đòi hỏi các kỹ sư phải làm việc với hóa chất đôi khi rất độc hại. Các tấm pin mặt trời quang điện sẽ bị ảnh hưởng do xuống cấp, giảm hiệu suất theo thời gian (từ 1 đến 10% mỗi năm). Tuy nhiên, việc bảo dưỡng và tiếp nhiên liệu có thể được sử dụng để kéo dài tuổi thọ của vệ tinh gần như vô thời hạn.
Một chùm vi sóng đủ mạnh để chạm tới mặt đất cũng có thể gây hại cho bất cứ thứ gì cản đường. Vì vậy, để đảm bảo an toàn, mật độ năng lượng của chùm tia sẽ phải được hạn chế.
Thách thức của việc xây dựng các nền tảng trong không gian như thế này có vẻ khó khăn, nhưng thu hoạch năng lượng mặt trời trên không gian là khả thi về mặt công nghệ. Để khả thi về mặt kinh tế, SBSP đòi hỏi kỹ thuật quy mô lớn nên cần các chính phủ và cơ quan vũ trụ có quyết tâm lâu dài.
Vượt qua mọi trở ngại, SBSP có thể đóng góp cơ bản vào việc cung cấp năng lượng sạch, bền vững từ không gian vào năm 2050.
