Cắt giảm khí thải bằng năng lượng mặt trời từ không gian

Một tương lai mà đèn, điện thoại, và thậm chí cả thành phố đều được cung cấp năng lượng từ ánh sáng mặt trời thu thập được trên quỹ đạo có lẽ không còn xa vời. Một ngày nào đó châu Âu có thể khai thác năng lượng mặt trời thu thập được từ không gian để giúp đạt được mục tiêu đầy tham vọng là đạt mức phát thải ròng bằng 0 vào năm 2050.

Thay vì chỉ dựa vào các trang trại gió và tấm pin mặt trời trên mặt đất, các nhà khoa học đã mô hình hóa những gì sẽ xảy ra nếu các mảng thu năng lượng mặt trời khổng lồ được phóng lên quỹ đạo, nơi chúng thu thập ánh sáng mặt trời liên tục và truyền năng lượng trở lại Trái Đất. Kết quả cho thấy ý tưởng mang tính thời đại vũ trụ này giúp hệ thống năng lượng của châu Âu rẻ hơn, đáng tin cậy hơn và bền vững hơn.

Năng lượng mặt trời từ không gian cho phép cắt giảm nhu cầu năng lượng tái tạo trên đất liền của châu Âu lên tới 80%.

Từ khoa học viễn tưởng đến hoạch định chính sách

Ý tưởng được đề xuất lần đầu tiên vào năm 1968, nhưng vẫn nằm ngoài tầm với và tiến bộ công nghệ hiện đang đưa ý tưởng này đến gần hơn với thực tế. Một số quốc gia - bao gồm Trung Quốc, Nhật Bản, Ấn Độ, Nga, Mỹ và Anh - đang đầu tư vào nghiên cứu. Điểm khác biệt của nghiên cứu này là việc tích hợp năng lượng mặt trời từ không gian vào các mô hình quy hoạch năng lượng thực tế.

Lần đầu tiên, các nhà nghiên cứu đã thử nghiệm khả năng tích hợp của tấm pin mặt trời trên quỹ đạo vào lưới điện châu Âu. Bằng cách mô phỏng các kịch bản tương lai cho năm 2050, họ đã xem xét chi phí, hiệu suất và cách năng lượng vũ trụ có thể kết hợp với những nguồn năng lượng tái tạo khác.

Giáo sư Wei He, giảng viên cao cấp tại Đại học King’s College London và là tác giả chính của bài báo, giải thích: “Lần đầu tiên chúng tôi chứng minh được tác động tích cực mà công nghệ này có thể mang lại cho châu Âu. Mặc dù tính khả thi của công nghệ này vẫn đang được xem xét, nghiên cứu của chúng tôi nhấn mạnh tiềm năng kinh tế và môi trường to lớn của nó nếu được áp dụng”.

Hai thiết kế, một ý tưởng táo bạo

Một nhóm kỹ sư tập trung vào hai thiết kế lấy cảm hứng từ NASA. Thiết kế Innovative Heliostat Swarm, sử dụng một cụm gương di động theo dõi mặt trời liên tục. Thiết kế thứ hai, được gọi là Planar Array, đơn giản hơn - một bề mặt phẳng chỉ thu thập ánh sáng mặt trời một phần thời gian. Sự khác biệt về hiệu suất thật đáng kinh ngạc. Heliostat Swarm thu được ánh sáng mặt trời gần như liên tục, trong khi Planar Array chỉ hoạt động khoảng 60% thời gian.

Trong khi đó, các tấm pin mặt trời đặt trên mặt đất chỉ đạt hiệu suất 15-30% do ảnh hưởng của ban đêm, thời tiết và thay đổi theo mùa. Cả hai thiết kế đều truyền năng lượng không dây đến các trạm trên Trái Đất, nơi nó sẽ được chuyển đổi thành điện năng và hòa vào lưới điện. Tấm thu năng lượng từ không gian sẽ không bị ảnh hưởng bởi mây mù, bão, hay thậm chí là thiên tai như lũ lụt và động đất.

Đưa các mô hình vào thử nghiệm

Để xem hệ thống này có thể hoạt động như thế nào trong thực tế, nhóm nhà nghiên cứu mô phỏng hệ thống năng lượng của châu Âu vào năm 2050. Họ tính toán lượng năng lượng mà mỗi thiết kế có thể cung cấp, chi phí là bao nhiêu và cách nó tương tác với các công nghệ tái tạo khác như gió, thủy điện, pin và lưu trữ hydro. Các mô hình cho thấy Heliostat Swarm nổi bật. Nó giúp giảm chi phí hệ thống từ 7% đến 15%, giảm nhu cầu lưu trữ pin lớn hơn 70% và thay thế tới 80% lượng điện dự kiến từ năng lượng mặt trời và gió trên đất liền. Điều này giúp tiết kiệm khoảng 35,9 tỷ euro mỗi năm trên toàn hệ thống năng lượng của châu Âu.

Mảng Planar đơn giản hơn không đạt hiệu quả cao về chi phí lẫn hiệu suất. Tuy nhiên, nó vẫn là một điểm khởi đầu thực tế, vì đã gần sẵn sàng để triển khai. Nhóm nhà khoa học coi đây là bước đệm hướng tới thiết kế bầy đàn đầy tham vọng hơn. Tuy nhiên, vẫn còn một thách thức lớn: chi phí. Hiện tại, năng lượng mặt trời trên không gian vẫn đắt hơn nhiều so với các giải pháp trên Trái Đất.

Để Heliostat Swarm trở nên khả thi, chi phí sẽ cần phải giảm xuống còn khoảng 14 lần so với tấm pin mặt trời trên mặt đất trong tương lai. Planar Array sẽ cần chi phí gấp khoảng 9 lần. Hiện tại, ước tính cho thấy hệ thống này đắt hơn từ 10 đến 100 lần so với mục tiêu đó. Điều đó có nghĩa là cần phải cắt giảm đáng kể trước khi tấm pin mặt trời trên quỹ đạo có thể cạnh tranh trên thị trường. Chi phí phóng thấp hơn, tiến bộ trong vật liệu và lắp ráp robot trong không gian đều được kỳ vọng sẽ giúp thu hẹp khoảng cách, nhưng tiến độ phải nhanh chóng.

Tại sao năng lượng mặt trời vũ trụ lại quan trọng?

Với cam kết đạt mức phát thải ròng bằng 0 vào năm 2050 của châu Âu, năng lượng tái tạo phải phát triển nhanh chóng. Tuy nhiên, ngay cả khi điện gió và điện mặt trời trên mặt đất phát triển, chúng vẫn phải đối mặt với những thách thức như tính không liên tục, nhu cầu lưu trữ và dễ bị ảnh hưởng bởi thời tiết. Năng lượng thu thập được trên quỹ đạo giúp lấp đầy những khoảng trống đó, cung cấp năng lượng sạch 24/7.

Nghiên cứu cũng nhấn mạnh tầm quan trọng của việc theo đuổi song song cả hai thiết kế. Mảng đơn giản hơn có thể được thử nghiệm sớm hơn, chứng minh các công nghệ then chốt và tạo đà phát triển. Đồng thời, những cải tiến trong thiết kế bầy đàn tiên tiến hơn chuẩn bị cho việc triển khai lâu dài.

Việc triển khai năng lượng mặt trời trên không gian sẽ đặt ra những câu hỏi về chính sách, an toàn và quản lý quỹ đạo. Việc truyền năng lượng về Trái Đất đòi hỏi phải có hệ thống truyền dẫn không dây hiệu quả, bảo vệ chống lại các mảnh vỡ không gian và kế hoạch cho việc ngừng hoạt động các hệ thống một cách an toàn khi hết vòng đời.

Diên San (Tổng hợp)