Các trạm năng lượng Mặt Trời trong không gian đang biến giấc mơ xa vời thành triển vọng công nghệ thực tế.
Suốt thời gian dài, khái niệm xây dựng trạm năng lượng không gian do nhà khoa học Nga Konstantin Tsiolkovsky lần đầu tiên đưa ra vào những năm 1920 trở thành nguồn cảm hứng sáng tác cho nhiều nhà văn. Một thế kỷ sau, các nhà khoa học đạt được những bước tiến lớn trong việc biến ý tưởng này thành hiện thực.
Công nghệ năng lượng tái tạo phát triển mạnh mẽ những năm gần đây, với hiệu suất được cải thiện và chi phí thấp hơn. Nhưng có trở ngại lớn là chúng không cung cấp được năng lượng một cách liên tục. Các trang trại năng lượng Mặt Trời và gió chỉ sản xuất năng lượng khi gió thổi hoặc Mặt Trời chiếu sáng, trong khi chúng ta cần điện cả ngày lẫn đêm.
Một cách khả thi để giải quyết vấn đề này là tạo ra năng lượng Mặt Trời trong không gian. Năng lượng Mặt Trời không gian (Space-based solar power – SBSP) là khái niệm thu thập năng lượng Mặt Trời ngoài vũ trụ và phân phối đến Trái Đất.
Trạm năng lượng Mặt Trời trong không gian có thể di chuyển theo quỹ đạo để hứng ánh nắng Mặt Trời 24 giờ/ngày. Bầu khí quyển của Trái đất cũng hấp thụ và phản xạ một số ánh sáng của Mặt Trời, do đó, các tấm pin năng lượng Mặt Trời trong không gian sẽ nhận được nhiều ánh sáng Mặt Trời hơn và tạo ra nhiều năng lượng hơn.
Thu nhận thế nào?
Giải pháp tối ưu là sử dụng các tấm gương phản xạ ánh Mặt Trời lớn lắp đặt trên các vệ tinh trong quỹ đạo. Những tấm gương này sẽ tập trung năng lượng Mặt Trời vào các tấm pin Mặt Trời. Pin Mặt Trời chuyển đổi năng lượng đó thành vi sóng hoặc tia laser và chiếu nó trở lại Trái đất.
Nguồn năng lượng sẽ được Trái đất tiếp nhận thông qua các ăng-ten và chuyển đổi thành điện năng. Theo nguyên lý này, để chuyển đổi năng lượng Mặt Trời thu được từ không gian đến mặt đất, người ta phải lắp đặt một hệ thống ăng-ten định hướng.
Những lợi ích
Giải pháp năng lượng Mặt Trời không gian có một số ưu điểm so với giải pháp năng lượng Mặt Trời thông thường. Thứ nhất, nó loại bỏ việc lãng phí thời gian do thời tiết xấu và ban đêm. Theo tính toán, trạm điện trong vũ trụ có thể cung cấp năng lượng trong 99% thời gian và với cường độ gấp 6 lần các trạm năng lượng Mặt Trời hiện nay trên Trái đất.
Thứ hai, với giải pháp mới, chúng ta không phải lo lắng về vấn đề tích trữ năng lượng bởi các nhà máy điện vũ trụ có thể chiếu năng lượng trực tiếp xuống Trái đất bất cứ khi nào. Ánh sáng Mặt Trời trong không gian, không bị lọc bởi bầu khí quyền sẽ mạnh hơn rất nhiều và tạo ra nguồn năng lượng dồi dào. Theo Greenmatch – trang thông tin năng lượng xanh của Australia, SBSP có thể sản sinh ra năng lượng nhiều gấp 40 lần so với năng lượng Mặt Trời trên Trái đất.
Hiệp hội Vũ trụ Quốc gia (NSS) cho rằng, năng lượng Mặt Trời không gian sẽ có khả năng áp đảo tất cả các nguồn năng lượng khác trong tương lai. Hơn nữa chúng ít tạo ra tác động tiêu cực đến môi trường, và khắc phục được các vấn đề về thiếu hụt năng lượng cũng như vấn đề phát thải khí gây hiệu ứng nhà kính.
Tuy vậy, một trong những thách thức lớn cần phải vượt qua là làm thế nào để lắp ráp, khởi động và triển khai các cấu trúc lớn như vậy. Một trạm năng lượng Mặt Trời trong vũ trụ cần phải có diện tích tối thiểu là 10km2. Chưa kể, chi phí đầu tư và vận hành cũng tương đối lớn. Về mặt lý thuyết, các công nghệ cần thiết để biến giải pháp SBSP thành hiện thực đã sẵn có, nhưng chi phí sản xuất, phóng trạm vào không gian bằng tên lửa khiến việc triển khai không khả thi về mặt thương mại.
Những tiến công nghệ đạt được trong thời gian gần đây đã làm giảm đáng kể chi phí thực hiện các vụ phóng, mang đến hy vọng triển khai thành công giải pháp SBSP trong tương lai.
Cuộc cạnh tranh
Với mong muốn sớm được sử dụng nguồn năng lượng sạch không giới hạn, Mỹ, Trung Quốc đã tăng cường nỗ lực thực hiện các dự án nghiên cứu và triển khai SBSP.
Trung Quốc mới đây 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 SBSP 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 SBSP 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.
Giống Trung Quốc, Mỹ từ lâu cũng để mắt đến khái niệm thu năng lượng Mặt Trời trực tiếp từ không gian, lấy cảm hứng từ tiểu thuyết khoa học viễn tưởng của nhà văn người Mỹ Isaac Asimov. Tạp chí công nghệ 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. Tuy nhiên, có rất ít tiến bộ được tạo ra kể từ thời điểm đó”.
Dù vậy, Washington vẫn luôn đặt niềm tin vào việc biến ý tưởng khai thác năng lượng Mặt Trời không gian thành hiện thực. Vào tháng 10/2019, phóng thí nghiệm nghiên cứu không quân Mỹ đã công bố 1 chương trình 100 triệu USD để phát triển phần cứng cho một vệ tinh năng lượng Mặt Trời. Đây là bước quan trọng đầu tiên hướng tới công cuộc đưa SBSP vào thực tế.
Đến năm 2020, Lầu Năm Góc thử nghiệm thành công một tấm pin Mặt Trời ngoài không gian. Tấm pin có tên gọi Photovoltaic Radiofrequency Antenna Module (PRAM) – lần đầu được phóng lên không gian vào tháng 5/2020, gắn vào phi thuyền không người lái X-37B, nhằm biến ánh sáng Mặt Trời thành điện năng. 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.
Cơ quan Vũ trụ châu Âu cũng nhận ra tiềm năng của việc khai thác năng lượng Mặt Trời và đang tìm cách tài trợ cho các dự án liên quan với dự đoán rằng nguồn tài nguyên công nghiệp đầu tiên mà chúng ta nhận được từ không gian là “năng lượng chùm”.
Vẫn còn rất nhiều việc phải làm trong lĩnh vực này. Nhưng mục tiêu hướng tới sẽ là biến ý tưởng xây dựng các trạm điện Mặt Trời trên không gian trở thành hiện thực trong những thập kỷ tới.
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, các chuyên gia cho rằng SBSP có thể trở thành một giải pháp vô cùng quan trọng để đáp ứng nhu cầu năng lượng trên toàn cầu, đặc biệt là Nhật Bản, Bắc Âu và những khu vực khác không nhận được nhiều ánh nắng Mặt Trời.
