Hấp dẫn khai thác năng lượng mặt trời không gian

Ánh mặt trời không bao giờ tắt

Trong lĩnh vực khai thác năng lượng mặt trời không gian, hiện chỉ có 4 nước đi đầu trong nghiên cứu là Nga, Trung Quốc, Mỹ và Nhật Bản. Tuy nhiên, việc tiến hành thử nghiệm trên quy mô lớn thì Mỹ là quốc gia đầu tiên. Vậy đâu là cơ chế vận hành cho một trạm năng lượng không gian?

Nhà khoa học Jean-Francois Guillemoles, chuyên gia về quang điện của Trung tâm Nghiên cứu khoa học quốc gia Pháp (CNRS), cho hay, trung tâm điện mặt trời không gian sử dụng cùng một kiểu công nghệ như đối với các trạm trên mặt đất nhưng được cải tiến nhiều hơn và có chi phí đắt hơn. Đó cũng là những tấm pin mặt trời thường thấy, được lắp đặt trên các mái nhà… Chính những linh kiện bán dẫn sẽ hấp thu các năng lượng bức xạ mặt trời để biến chúng thành những sóng điện tích, tạo ra dòng điện và công suất.

Khi ở trên mặt đất, dòng điện tạo ra từ các tấm quang năng được truyền trực tiếp đến các bộ bình điện, rồi từ đó người ta đưa vào mạng lưới điện. Trên không gian, những tấm quang năng này thường được sử dụng để cung cấp điện cho các vệ tinh. Nếu muốn sử dụng nguồn năng lượng này trên mặt đất, người ta phải chuyển đổi nguồn năng lượng đó thành một nguồn điện từ, rồi bức xạ chúng nhờ vào các antena vệ tinh đến các antena tiếp nhận trên mặt đất. Quy trình này cũng tương tự như là các antena sóng điện thoại cho mạng 4G, 5G… Những cột antena này ít nhiều có định hướng.

Nguồn năng lượng này được cho là hấp dẫn, bởi trên không gian không có bầu khí quyển phát tán, tức là lúc nào cũng có ánh sáng mặt trời. Thay vì có được khoảng 1.000W trên mặt đất vào buổi trưa, trên không gian lúc nào cũng có đến 1.300W. Mặc dù công suất trên không gian thu được chỉ nhiều hơn chút ít so với trên mặt đất, nhưng cái lợi ở đây là mức năng lượng đó luôn được duy trì.

Nghĩa là tuy quỹ đạo vệ tinh xoay quanh trái đất, nhưng lúc nào cũng có ánh sáng mặt trời. Không bị mây che phủ, công suất nhiều hơn, do có nhiều nguồn ánh sáng liên tục nên các tấm quang năng cũng tạo ra nhiều năng lượng hơn so với những gì trên mặt đất. Các số liệu do Cơ quan Hàng không và vũ trụ Mỹ (NASA) cung cấp cho thấy, tùy theo công nghệ sử dụng, mức năng suất tạo ra từ không gian cao hơn so với mặt đất 5 - 6 lần.

Một chuyên gia kiểm tra tấm pin PRAM

Tuy số lượng tấm quang năng được sử dụng ít hơn, nhưng chi phí cho một trạm năng lượng không gian sẽ đắt hơn. Điều hấp dẫn là với việc phát triển của công nghệ không gian, người ta sẽ sử dụng ít nguyên liệu hơn, ngược lại để có thể thu nhận được nguồn năng lượng này, người ta phải lắp đặt các trụ antena vốn dĩ đòi hỏi chiếm nhiều chỗ. Một lợi thế khác, theo như nhiều nghiên cứu được công bố, cũng giống như sóng wifi, vì gửi năng lượng từ không gian đến mặt đất nên không cần phải xây dựng các đường dây cao thế, chỉ cần có địa điểm tiếp nhận.

Cạnh tranh

Mỹ từ lâu đã để mắt đến việc thu năng lượng mặt trời trực tiếp từ không gian. Tạp chí Wired cho biết, năm 1975, sau khi hợp tác với Bộ Năng lượng thực hiện một loạt nghiên cứu về tính khả thi của năng lượng mặt trời không gian, NASA đã tạo ra 30kW điện/1,6km bằng cách sử dụng một đĩa vi sóng khổng lồ.

Dù có rất ít tiến bộ được tạo ra kể từ thời điểm đó, Washington vẫn luôn đặt niềm tin vào việc biến ý tưởng khai thác năng lượng mặt trời không gian thành hiện thực. Và đến tháng 5-2020, tấm pin PRAM được phóng lên không gian bằng phi thuyền không người lái X-37B, đã đánh dấu bước đầu tham vọng của Washington trở thành hiện thực. Dù tấm pin này vẫn chưa thực sự chuyển điện trực tiếp về trái đất, nhưng công nghệ bên trong nó đã được chứng minh là có hiệu quả.

Trong khi đó, Trung Quốc mới đây đã công bố kế hoạch xây dựng nhà máy năng lượng mặt trời trên không gian nặng 200 tấn với công suất cấp độ megawatt vào năm 2035, và hướng tới việc đưa năng lượng mặt trời không gian trở nên khả thi về mặt thương mại vào năm 2050.

Các nhà khoa học Trung Quốc cho rằng, trạm năng lượng mặt trời trong không gian hứa hẹn mở ra một nguồn năng lượng sạch và vô tận cho con người. Trung Quốc đưa ra nhiều giải pháp sử dụng ánh sáng mặt trời và đạt được một số bước đột phá trong việc truyền tải năng lượng không dây kể từ khi quốc gia này đưa chương trình khai thác nguồn năng lượng trên vào chương trình nghiên cứu trọng điểm năm 2018.

Tuy vậy, tham vọng đó đã trở thành một thách thức lớn đối với công nghệ hiện tại, vì nó đòi hỏi phải thực hiện các vụ phóng và lắp đặt nhiều tấm pin năng lượng mặt trời trong không gian, cũng như xây dựng hệ thống truyền tải năng lượng không dây hiệu quả.

Nga cũng có một dự án nghiên cứu về năng lượng mặt trời không gian. Trong khi châu Âu, tuy có để ý đến vấn đề này, nhưng theo chuyên gia Guillemoles, Liên minh châu Âu (EU) hiện chưa có một dự án nào. Lý giải cho điều này, ông Guillemoles cho rằng, có nhiều cách đơn giản hơn để khai thác năng lượng mặt trời hiệu quả thu nhận năng lượng bằng khinh khí cầu.

Theo vị chuyên gia người Pháp, chi phí để phát triển, sản xuất, phóng và bảo trì cho một vệ tinh rất đắt. Trên thực tế, chỉ cần lên cao tầm vài kilômét là đủ để thu nhận năng lượng, thay vì lên đến hơn 30.000km cho một quỹ đạo ổn định. Như vậy, chỉ cần những công nghệ rẻ tiền hơn như đưa những tấm quang năng lên cao bằng các khinh khí cầu, mà vẫn có thể có cùng một hiệu năng như đối với năng lượng từ không gian.

Ngoài ra, ưu tiên của EU hiện nay là khám phá không gian, phát triển các loại vệ tinh viễn thông, đo lường, giám sát khí quyển và tìm hiểu về trái đất. EU còn tham gia vào dự án không gian quốc tế, gửi tàu thăm dò đến Sao Hỏa.

Tuy nhiên, chuyên gia Guillemoles cho rằng, cũng không thể phủ nhận những lợi ích kinh tế, công nghệ trong việc chinh phục không gian. Và có lẽ chính vì điều này mà nhiều nước bày tỏ tham vọng trong lĩnh vực này. Những nước đi đầu trong lĩnh vực này là Mỹ, Nhật Bản và đặc biệt là Trung Quốc.

Bên cạnh những lợi ích về kinh tế, công nghệ mà giải pháp mang lại, sự gia tăng dân số trên toàn cầu có thể là yếu tố thúc đẩy mối quan tâm đối với năng lượng mặt trời không gian. Dự đoán dân số thế giới sẽ tăng lên 9 tỷ người vào năm 2050 và các chuyên gia cho rằng, năng lượng mặt trời không gian có thể trở thành một giải pháp vô cùng quan trọng để đáp ứng nhu cầu năng lượng trên toàn cầu, nhất là Nhật Bản, Bắc Âu và nhiều khu vực khác - những nơi không nhận được nhiều ánh nắng mặt trời.

MINH CHÂU