Công nghệ thu năng lượng mặt trời trong không gian và truyền đến Trái đất để cung cấp nguồn năng lượng sạch và giá cả phải chăng cho toàn cầu từng được coi là khoa học viễn tưởng. Bây giờ điều đó đang tiến gần hơn đến thực tế.

Dự án phi thường

Thông qua Dự án điện mặt trời dựa trên không gian (SSPP), một nhóm nhà nghiên cứu Viện Công nghệ California (Caltech, Mỹ) đang nghiên cứu triển khai chòm sao tàu vũ trụ mô-đun thu thập ánh sáng mặt trời, biến nó thành điện năng, sau đó truyền tải không dây điện đến bất cứ nơi nào cần thiết. Họ thậm chí có thể truyền nó đến những nơi hiện không có quyền truy cập vào nguồn điện đáng tin cậy.

Mô tả cách thức thu năng lượng mặt trời trong không gian và truyền năng lượng không dây đến Trái đất thông qua vi sóng.

Harry Atwater, nhà nghiên cứu SSPP và Chủ tịch Lãnh đạo Otis Booth Bộ phận Kỹ thuật và Khoa học Ứng dụng Caltech, cho biết: “Đây là dự án phi thường và chưa từng có. Nó thể hiện sự táo bạo và tham vọng cần thiết nhằm giải quyết một trong những thách thức quan trọng nhất của thời đại chúng ta là cung cấp năng lượng sạch và giá cả phải chăng cho thế giới”.

Atwater, Giáo sư Vật lý Ứng dụng và Khoa học Vật liệu của Howard Hughes, dẫn đầu dự án cùng với hai nhà nghiên cứu khác: Ali Hajimiri, Giáo sư Kỹ thuật Điện và đồng giám đốc SSPP; cùng với Sergio Pellegrino, Joyce và Kent Kresa, Giáo sư về Kỹ thuật Hàng không và Dân dụng, đồng giám đốc SSPP, và một nhà khoa học nghiên cứu cấp cao tại Phòng thí nghiệm Sức đẩy Phản lực (JPL).

Khai thác năng lượng mặt trời trong không gian dựa trên những tiến bộ đột phá trong 3 lĩnh vực chính: Nhóm nghiên cứu của Atwater thiết kế vật liệu quang điện hiệu suất cao siêu nhẹ (vật liệu chuyển đổi ánh sáng thành điện năng) được tối ưu hóa cho điều kiện không gian, tương thích với hệ thống chuyển đổi và truyền tải điện mô-đun tích hợp.

Nhóm nghiên cứu của Hajimiri phát triển công nghệ giá rẻ và trọng lượng nhẹ cần thiết để chuyển đổi nguồn điện một chiều thành điện tần số vô tuyến (ví dụ, được sử dụng để truyền tín hiệu điện thoại di động) và truyền đến Trái đất dưới dạng vi sóng. Quá trình này diễn ra an toàn, Hajimiri giải thích. Bức xạ không ion hóa trên bề mặt ít có hại hơn đáng kể so với việc đứng dưới ánh nắng mặt trời. Ngoài ra, hệ thống có thể nhanh chóng bị tắt trong trường hợp hư hỏng hoặc trục trặc.

Nhóm của Pellegrino phát minh cấu trúc không gian có thể gập lại, siêu mỏng và siêu nhẹ hỗ trợ quang điện cũng như các thành phần cần thiết để chuyển đổi, truyền và điều khiển công suất tần số vô tuyến đến nơi cần thiết.

Đơn vị cơ bản của hệ thống mà nhóm nhà nghiên cứu hình dung là viên gạch 10,16x10,16cm, nặng chưa đến 2,8g. Hàng trăm nghìn viên gạch này kết hợp với nhau thành hệ thống các vệ tinh giống như tấm thảm bay, một khi được mở ra sẽ tạo ra bề mặt thu thập ánh sáng mặt trời.

Công việc về SSPP được tài trợ hơn 100 triệu USD từ Donald Bren, chủ tịch Công ty Irvine và một thành viên trong cộng đồng Caltech; và vợ ông, Brigitte Bren, ủy viên của Caltech. Tập đoàn Northrup Grumman tài trợ cho loạt nghiên cứu khả thi ban đầu. Atwater, Hajimiri và Pellegrino đã thảo luận về tiến trình của họ - và tiềm năng biến đổi của năng lượng mặt trời trên không gian - khi dự án sắp đạt được một cột mốc quan trọng: một vụ phóng thử nghiệm các nguyên mẫu vào không gian vào tháng 12/2022.

Một loạt tấm pin mặt trời nhỏ nằm trong Dự án.

Sản xuất năng lượng mặt trời phát triển rẻ hơn và hiệu quả hơn rất nhiều trong những năm gần đây, nhưng cho dù công nghệ có tiến bộ đến đâu thì những hạn chế cơ bản vẫn sẽ luôn tồn tại: tấm pin mặt trời chỉ có thể tạo ra năng lượng vào ban ngày và phần lớn ánh sáng mặt trời bị bầu khí quyển hấp thụ trong hành trình xuống mặt đất. Điều gì sẽ xảy ra nếu thay vào đó, chúng ta có thể thu năng lượng mặt trời trong không gian và truyền xuống bề mặt Trái đất? ESA đang tìm kiếm ý tưởng về các công nghệ và khái niệm cho vệ tinh năng lượng mặt trời sẽ thực hiện chính xác điều này.

Sự cố bức xạ mặt trời, theo đó trên quỹ đạo, cường độ ánh sáng mặt trời cao hơn nhiều so với cường độ ở bề mặt Trái đất. Thu nhận ánh sáng mặt trời và điều tiết năng lượng. Ánh sáng Mặt trời chuyển đổi thành dòng điện, sau đó được chuẩn bị cho việc chiếu tần số vô tuyến tới Trái đất, Mặt trăng hoặc bề mặt hành tinh khác.

Tia điện là năng lượng được truyền xuống Trái đất bằng cách sử dụng các mảng theo từng giai đoạn, bộ phát laser hoặc các công nghệ không dây khác. Chùm năng lượng phải chính xác, đáng tin cậy và phải giữ được càng nhiều năng lượng càng tốt khi truyền qua bầu khí quyển của Trái đất.

Trong khi đó chụp tia và chuyển đổi năng lượng, nghĩa là chùm năng lượng được bắt bằng tế bào quang điện hoặc bằng anten biến đổi năng lượng điện từ thành điện năng. Vệ tinh có thể chiếu năng lượng xuống một vị trí trên mặt đất hoặc đến một số vị trí xung quanh một vật thể hành tinh.

Truyền tải điện bằng cách hệ thống thu năng lượng mặt trời trong không gian trên Trái đất phải được tích hợp an toàn và bền vững vào lưới điện hiện có. Phân phối quyền lực cũng rất quan trọng trong các sứ mệnh khoa học, thám hiểm.

Cũng như có tiềm năng hỗ trợ châu Âu đạt được mục tiêu trung hòa carbon năm 2050, các công nghệ năng lượng mặt trời trên không gian có thể cung cấp tính linh hoạt và độ tin cậy cần thiết cho mọi nhiệm vụ khoa học và thám hiểm nơi các nguồn năng lượng khác bị hạn chế, ví dụ như nhiệm vụ thám hiểm trong đêm âm lịch. Được hỗ trợ thông qua yếu tố Khám phá trong các Hoạt động Cơ bản của ESA, dự án này được khởi xướng thông qua Nền tảng Đổi mới Không gian Mở của ESA nhằm tìm kiếm những ý tưởng mới đầy hứa hẹn cho không gian.

Từ trái sang: Giáo sư Sergio Pellegrino, Harry Atwater và Ali Hajimiri.

Đằng sau Dự án Điện Mặt trời trên Không gian

Năm 2011, cuộc trò chuyện bắt đầu với Donald Bren hỏi liệu Caltech có ý tưởng gì khi nghiên cứu trong lĩnh vực năng lượng bền vững và không gian hay không. Chúng tôi bắt đầu thảo luận, trong một nhóm giảng viên, cách xây dựng dựa trên sở thích của chúng tôi và những gì đang xảy ra trong mỗi lĩnh vực của chúng tôi có thể dẫn đến một sáng kiến nghiên cứu rất có tác động. Trong khoảng thời gian vài tháng, chúng tôi đưa ra một tầm nhìn - tôi gọi đó là một giấc mơ - về 3 hoặc 4 đột phá công nghệ, kết hợp với nhau, sẽ biến đổi cách tiếp cận năng lượng mặt trời trong không gian.

Trước đây, khái niệm này thực sự là khoa học viễn tưởng. Điều khiến chúng tôi có thể xem xét đưa nó từ lĩnh vực khoa học viễn tưởng sang lĩnh vực thực tế là sự kết hợp những phát triển xảy ra trong quang điện trong phòng thí nghiệm của Harry, trong các cấu trúc trong phòng thí nghiệm của Sergio, và trong quá trình truyền điện không dây, đang xảy ra trong phòng thí nghiệm của tôi. Chúng tôi nhận ra giờ đây chúng tôi có thể theo đuổi năng lượng mặt trời không gian theo cách vừa trở nên thiết thực vừa tiết kiệm. Một trong những câu hỏi đầu tiên mà bất cứ ai hỏi là, “Tại sao bạn muốn đặt quang điện trong không gian?”. Trong không gian, nơi bạn không có ngày và đêm, mây và những thứ tương tự, bạn nhận được năng lượng gấp 8 lần. Tầm nhìn của chương trình này là có thể cung cấp nhiều điện năng bạn cần, ở nơi bạn cần và khi nào bạn cần.

Đồ họa thông tin về năng lượng mặt trời dựa trên không gian.

Hiện thực hóa tầm nhìn đầy tham vọng

Theo Pellegrino, trong khoảng thời gian 2 năm, chúng tôi đã chế tạo và trình diễn một loại ngói nguyên mẫu. Đây là yếu tố mô-đun quan trọng thu nhận ánh sáng mặt trời và truyền tải điện năng. Qua quá trình đó, chúng tôi đã học được nhiều điều về cách thiết kế các hệ thống tích hợp cao và siêu nhẹ kiểu này. Sau đó, chúng tôi phát triển nguyên mẫu thứ hai, nhẹ hơn 33% so với nguyên mẫu đầu tiên.

Còn theo Hajimiri, loại gạch này là khối xây dựng, như Sergio đã đề cập, của hệ thống lớn hơn. Nó phải có đầy đủ chức năng, tương thích và có thể mở rộng. Mặc dù nghe có vẻ đơn giản nhưng thực ra khá phức tạp. Những tấm gạch này được gắn trên cấu trúc rất linh hoạt, có thể gấp lại để lắp vào xe phóng. Sau khi được triển khai, cấu trúc sẽ mở rộng và các ô xếp hoạt động phối hợp và đồng bộ để tạo ra năng lượng, chuyển đổi nó và truyền chính xác đến nơi bạn cần và không nơi nào khác.

Theo ông Atwater, nó không trở thành hiện thực cho đến khi bạn thực sự lên vũ trụ. Như Sergio và Ali đã mô tả, chúng tôi đã chứng minh phần tử đơn vị quan trọng này được gọi là khối hình trong phòng thí nghiệm. Chúng tôi đang làm việc với thứ mà tôi sẽ gọi là vật liệu quang điện thông thường, phải được thiết kế ở dạng khó đạt được diện tích khối lượng trên một đơn vị và các mục tiêu công suất cụ thể, vì vậy về cơ bản chúng tôi phải suy nghĩ lại về quang điện chiến lược hoàn toàn. Kết quả là, các lớp thiết bị quang điện mà chúng tôi đang thử nghiệm trong không gian thực sự chưa bao giờ bay trong không gian trước đây.

Viện Công nghệ California (Caltech, Mỹ).

Với Pellegrino: Hầu hết tàu vũ trụ ngày nay đều có các mảng năng lượng mặt trời - các tế bào quang điện liên kết với cấu trúc hạt tải điện - nhưng không phải với loại vật liệu này và không được gấp lại theo kích thước mà chúng ta đã đạt được. Bằng cách sử dụng kỹ thuật gấp mới lạ, lấy cảm hứng từ origami, chúng tôi có thể giảm đáng kể kích thước một phi thuyền khổng lồ để phóng. Bao bì rất chặt chẽ, về cơ bản không có bất kỳ khoảng trống nào.

Còn theo Hajimiri, khả năng truyền điện không dây thuộc tính chất này chưa được chứng minh trong không gian. Chúng tôi cũng đang chứng minh điều đó bằng vật liệu linh hoạt, nhẹ, không nhất thiết phải là một cấu trúc cứng nhắc. Điều đó làm tăng thêm sự phức tạp.

Hajimiri còn cho rằng nó sẽ cách mạng hóa bản chất của năng lượng và khả năng tiếp cận nó để trở nên phổ biến ở khắp mọi nơi, trở thành năng lượng có thể thay đổi được. Bạn có thể gửi nó đến nơi bạn cần. Sự chuyển hướng năng lượng này được thực hiện mà không có bất kỳ chuyển động cơ học nào, làm cho nó cực kỳ nhanh chóng.