Thu hoạch điện từ không gian: Cách mạng năng lượng hay ý tưởng điên rồ?

Kể từ khi nhà khoa học, Charles Fritts phát minh ra pin quang điện đầu tiên vào những năm 1880, người ta đã mong đợi một cuộc cách mạng trong sản xuất điện toàn cầu. Suy cho cùng, không có nguồn năng lượng nào rẻ, sạch và phổ biến hơn ánh sáng mặt trời. 

Những tiến bộ khoa học ngày càng phát triển, giúp việc khai thác năng lượng mặt trời trở nên hiệu quả với giá cả rẻ hơn nhiều những loại năng lượng hiện tại.

Bất chấp những điều đó, sau 140 năm, loại năng lượng này vẫn chỉ cung cấp gần 5% lượng điện năng của thế giới. Lý do nó vẫn còn một số hạn chế làm chậm quá trình mở rộng của công nghệ này, điển hình như nếu khai thác trên Trái Đất sẽ bị gián đoạn cho chu kỳ ngày đêm từ hành tinh chúng ta. 

Vào năm 1968, kỹ sư người Mỹ, Peter Glaser đã đề xuất một giải pháp hoàn toàn khác lạ, đặt các tấm quang điện ngoài quỹ đạo, trên các vệ tinh. Tại đó, những tấm quang điện thoát khỏi chu kỳ ngày đêm giúp nó liên tục hấp thụ ánh sáng mặt trời.

Sau đó chuyển ánh sáng mặt trời thành năng lượng truyền xuống Trái Đất, dưới dạng sóng điện từ (sóng viba) hoặc tia laser. Tại mặt đất các anten chỉnh lưu sẽ chuyển đổi năng lượng từ bức xạ điện từ thành dòng điện một chiều, sau đó hòa lưới điện trên toàn thế giới. 

Trong một thời gian dài, chi phí đưa các thiết bị vào không gian vô cùng tốn kém. Chính vì thế, ý tưởng Peter Glaser khó có thể trở thành hiện thực. Song giờ đây, với sự phát triển khoa học công nghệ, ngày càng có nhiều tên lửa tái sử dụng do Cơ quan Hàng không và Vũ trụ Mỹ (NASA) và SpaceX phát triển khiến việc vào không gian giờ đây trở nên dễ dàng.

Việc xây dựng các dự án điện ngoài không gian đã được các quốc gia đặc biệt quan tâm, điển hình là Hoa Kỳ, Trung Quốc, Nhật Bản hay châu Âu đang nghiên cứu triển khai.

Tại Mỹ, những mối đe dọa từ biến đổi khí hậu, sự phát triển trong lĩnh vực vũ trụ đã thúc đẩy chính phủ xem xét kỹ lưỡng dự án năng lượng ngoài không gian. 

Nhà phân tích Nikolai Joseph, tại NASA xác nhận rằng: "Ngày nay tình hình đã thay đổi, chúng ta phải xem xét nghiêm túc và thường xuyên những ý tưởng hay và để ngỏ tất cả các lựa chọn. NASA cần khám phá những gì có thể làm được, vì sự ra đời của CSS (dự án năng lượng ngoài không gian) sẽ ảnh hưởng tới nhiều kế hoạch khác của cơ quan này". 

Cây cầu dẫn tới tương lai

Công nghệ vũ trụ sẽ là cầu nối đưa chúng ta tới tương lai. Đối với NASA, các dự án năng lượng ngoài không gian có thể hỗ trợ chương trình thám hiểm Mặt Trăng của phi hành đoàn tới đây, được gọi là chương trình Artemis.

Do đó, một nhà máy điện mặt trời quanh Mặt Trăng giúp cung cấp năng lượng cho các tiền đồn có người ở và những hoạt động thăm dò khác nhau trên vệ tinh chúng ta. 

Thậm chí, trong tương lai loại năng lượng bức xạ đầy tham vọng hơn sẽ có thể thay thế động cơ đẩy của tàu vũ trụ, đưa chúng ta chinh phục liên hành tinh hoặc thậm chí giữa các vì sao.

Trên Trái Đất, một số người coi CSS là cách lý tưởng để giảm lượng phát thải ròng bằng 0, trong khi vẫn được hưởng lợi từ nguồn cung cấp điện thường xuyên, bền vững và dồi dào.

Không giống năng lượng mặt trời và năng lượng gió trên mặt đất vốn không cấp điện liên tục, CSS sẽ hoạt động 24 giờ một ngày đồng thời cho phép phân phối điện linh hoạt và đáp ứng lưới điện trên toàn thế giới.

Trong mắt Chủ tịch Sáng kiến Năng lượng Không gian (SEI), Martin Soltau đây là điều khiến CSS là một công nghệ năng lượng sạch rất có giá trị. Theo ông, một ưu điểm khác chính là nguồn năng lượng này không yêu cầu sắp xếp lại mạng lưới điện. Các nhà khoa học có thể đặt các bộ chỉnh lưu gần điểm kết nối lưới điện hiện có, ví dụ cạnh những trang trại điện gió ngoài khơi.

SEI là sự hợp tác giữa chính phủ, ngành công nghiệp và giới khoa học với mục tiêu là có một đội CSS được kết nối với lưới điện của Vương quốc Anh vào những năm 2040. Mỗi cỗ máy sẽ sản xuất ra lượng điện gần bằng một nhà máy điện than hoặc điện hạt nhân.

Tuy nhiên, còn một chặng đường dài phía trước và trước hết, cần nhiều bài kiểm tra, thử nghiệm. Đây là lý do tại sao SEI dự định phóng robot quỹ đạo lần đầu tiên vào năm 2030. 

Martin Soltau giải thích: "Hai công nghệ quan trọng nhất để thử nghiệm trong không gian là việc lắp ráp robot tự động những cấu trúc lớn này và kiểm tra xem năng lượng truyền tới Trái Đất có đạt mức cho phép".

Thử nghiệm công nghệ cao

SEI không phải là công ty duy nhất đang đi trên con đường phát triển CSS. Nhiều dự án đang được tiến hành và một số còn tiến bộ hơn. Ví dụ, Đại học Xidian Trung Quốc và Học viện Công nghệ Vũ trụ nước này đang khám phá các công nghệ tập trung ánh sáng mặt trời và truyền năng lượng không dây thông qua dự án Zhuri (Đuổi theo Mặt Trời).

Nó bao gồm một tòa tháp thép cao 75 mét được lắp đặt trên đỉnh một thiết bị thu năng lượng mặt trời và mảng thu thập năng lượng hình quả cầu Omega, dự kiến trong tương lai nó sẽ được đưa vào quỹ đạo địa tĩnh hành tinh chúng ta. 

Hay như sáng kiến Solaris của Cơ quan Vũ trụ châu Âu (ESA), đã được Hội đồng ESA cấp bộ trưởng phê duyệt vào tháng 11/2022, đây là chương trình nghiên cứu và phát triển kéo dài ba năm, mục đích khám phá chi tiết khái niệm liên quan tới việc sản xuất điện ngoài không gian. 

Vào tháng 7, công ty Thales Alenia Space đã được chọn để tiến hành nghiên cứu tính khả thi của sáng kiến Solaris.

Về phần mình, các nhà nghiên cứu từ Cơ quan Thám hiểm Hàng không và Vũ trụ Nhật Bản (JAXA) đã nghiên cứu CSS từ những năm 1980, với hy vọng công việc của họ sẽ hoàn thành trong vòng một hoặc hai thập kỷ tới đây. 

Nhật Bản đã có công nghệ của riêng mình trong CSS, nó giúp cải thiện độ chính xác của các chùm năng lượng thu được từ ngoài không gian truyền về Trái Đất và thử nghiệm thành công một số chuyến bay dưới quỹ đạo hành tinh nhằm thu thập dữ liệu kỹ thuật về những thành phần của CSS.

Tại Hoa Kỳ, ngoài NASA, Lầu Năm Góc cũng rất quan tâm tới các dự án sản xuất năng lượng ngoài không gian để cung cấp điện cho các hoạt động quân sự và lực lượng viễn chinh trên khắp thế giới.

Vì vậy, Phòng thí nghiệm Nghiên cứu Không quân, hợp tác với Công ty Hàng không Vũ trụ Northrop Grumman, Phòng thí nghiệm Nghiên cứu Hải quân (NRL), gần đây đã tiến hành thử nghiệm mặt đất đầu tiên từ sứ mệnh có tên Arachne. 

Thiết bị này dự kiến phóng vào năm 2025, nhằm thử nghiệm khả năng hình thành và tập trung chùm tần số vô tuyến ở quỹ đạo thấp của Trái Đất. 

Cũng tại Hoa Kỳ, một nhóm nhà khoa học từ Viện Công nghệ California đã thành công cuộc thử nghiệm CSS toàn diện đầu tiên vào tháng 6 vừa qua. 

Trong khi đó, NRL đã phát triển module chuyên dụng được thiết kế để tăng hiệu quả chuyển đổi năng lượng mặt trời sang dạng vi sóng. Một thiết bị kết hợp những module này thậm chí đã trải qua hơn 900 ngày trong không gian trên máy bay vũ trụ robot X-37B của Không quân Mỹ.

Những thử nghiệm có thể sẽ tiêu tốn hàng trăm triệu đô la và để các dự án năng lượng ngoài không gian thành công, nó cần có sự hỗ trợ chính trị lâu dài và mạnh mẽ. Đi cùng với đó là việc đảm bảo rằng chi phí có thể cạnh tranh với những giải pháp khác. 

Thách thức

John Mankins, nhà khoa học có nhiều năm kinh nghiệm đến CSS tỏ ra lạc quan: "Các dự án CSS đã bị cản trở bởi ba trở ngại tài chính bao gồm chi phí chế tạo thiết bị, chi phí thích ứng với môi trường không gian và cuối cùng là đưa nó vào quỹ đạo. Nhưng những trở ngại này sắp được loại bỏ".

Ông cho rằng việc cắt giảm mạnh mẽ nhu cầu đầu tư đã đưa CSS bước vào một kỷ nguyên mới về khả năng tồn tại về mặt kinh tế. Điều này đủ để thu hút sự quan tâm và cam kết của các công ty đa quốc gia.

Tuy nhiên không phải tất cả mọi người đều có quan điểm này, Amory Lovins, người sáng lập Viện Rocky Mountain, một trung tâm nghiên cứu năng lượng của Mỹ, đồng thời là giáo sư tại Đại học Stanford, lại chỉ trích kế hoạch sản xuất năng lượng ngoài không gian.

Ông tin rằng chi phí phóng vẫn là một trở ngại tốn kém về tài chính, ngay cả khi giá phóng mỗi kilogram trọng tải lên quỹ đạo thấp của Trái Đất đã giảm đi 20 lần, đặc biệt kể từ khi tên lửa SpaceX xuất hiện trên thị trường.

Theo Amory Lovins, khái niệm CSS vẫn hấp dẫn, nhưng ông tin rằng sự phát triển của các nguồn năng lượng tái tạo trên mặt đất như năng lượng mặt trời và gió, vốn đã trở nên rất cạnh tranh, đặt ra câu hỏi về khả năng tồn tại của nó. 

Sản xuất năng lượng ngoài không gian vẫn có những ưu điểm riêng như tính vĩnh viễn của chúng, nhưng cuối cùng nó lại ít được quan tâm. Nói tóm lại một tấm quang điện sẽ cung cấp năng lượng rẻ hơn khi nó lắp đặt trên mái nhà thay vì trên vệ tinh.

"Tại sao lại phải tốn nhiều công sức và tiền bạc để thu thập ánh sáng mặt trời ngoài bầu khí quyển Trái Đất, khi vốn dĩ nó đã được phân phối miễn phí, truyền xuống Trái đất như mưa", Lovins đặt câu hỏi. 

Một cuộc thử nghiệm toàn diện

Vào tháng 6 vừa qua, nhóm Dự án Năng lượng Mặt trời trên Không gian, Viện Công nghệ California lần đầu tiên đã chứng minh tính khả thi của CSS.

Quả thực, họ đã thành công trong việc thu hồi năng lượng mặt trời trên Trái Đất do thiết bị Maple gửi đến.

Thiết bị này là một trong ba thành phần của Máy trình diễn năng lượng mặt trời không gian (SSPD-1) được đặt trên quỹ đạo vào ngày 3/1.

Thách thức chủ yếu của kế hoạch này chính là việc điều phối các anten phát linh hoạt khác nhau của Maple và giải quyết sự giao thoa của sóng gửi về Trái Đất, sao cho phần lớn năng lượng truyền tới máy thu trên mặt đất với số lượng đủ để có thể phát điện được. 

Hai thiết bị còn lại là Alba và Dolce, đây là một tập hợp những tấm quang điện khác nhau để thử nghiệm chúng trong không gian, nhằm đánh giá khả năng xây dựng một nhà máy điện quỹ đạo module lớn có kích thước khoảng một kilomet. Kết quả của thử nghiệm này dự kiến sẽ có trong những tháng tới.

Thế giới ngày càng tiến tới những công nghệ mà trước kia chỉ có trong những bộ phim viễn tưởng. Biến đổi khí hậu đang mất kiểm soát, quá trình chuyển dịch năng lượng được nhiều quốc gia thực hiện một cách mạnh mẽ và nghiêm túc nhằm bảo vệ hành tinh, thế hệ hiện tại và cả tương lai. 

Hy vọng rằng, công nghệ này sớm được đưa vào trong cuộc sống, giúp giảm thiểu tiến tới loại bỏ các nhà máy điện than vốn thải một lượng lớn khí nhà kính, nguyên nhân chủ yếu gây nóng lên toàn cầu. Trái Đất đang bị tổn thương và sự phát triển khoa học công nghệ sẽ là một trong những liều thuốc quý chữa lành hành tinh của chúng ta.