Khai thác năng lượng mặt trời trong không gian: Cuộc đua giữa các cường quốc

Cơ hội và thách thức

Công nghệ năng lượng tái tạo đã phát triển mạnh mẽ những năm gần đây, với hiệu suất được cải thiện và chi phí thấp hơn. Nhưng có một 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 (SBSP). SBSP là khái niệm thu thập năng lượng mặt trời ngoài vũ trụ và phân phối đến trái đất. Một trạm SBSP có thể di chuyển theo quỹ đạo để hứng ánh nắng mặt trời 24/24 giờ. 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.

Giải pháp tối ưu để hấp thu 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 antena 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 antena định hướng. 

SBSP có ưu điểm hơn so với giải pháp năng lượng 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 bầu khí quyển lọc sẽ mạnh hơn rất nhiều và tạo ra nguồn năng lượng dồi dào.

Một dự án Trung tâm khai thác SBSP của NASA

Theo Greenmatch, trang thông tin năng lượng xanh của Australia, SBSP có thể sản sinh năng lượng nhiều gấp 40 lần so với năng lượng mặt trời trên trái đất; có khả năng áp đảo tất cả nguồn năng lượng khác trong tương lai và ít tạo ra tác động tiêu cực đến môi trường, 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 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.

Nhiều tiềm năng

Với mong muốn sớm được sử dụng nguồn năng lượng sạch không giới hạn, Mỹ, Trung Quốc, châu Âu đã tăng cường nỗ lực thực hiện các dự án nghiên cứu và triển khai  SBSP.

Trung Quốc vừa 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 SBSP hứa hẹn mở ra một nguồn năng lượng sạch và vô tận cho con người.

Trung Quốc đã 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 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.

Không kém cạnh, Mỹ từ lâu đã nghiên cứu thu năng lượng mặt trời trực tiếp từ không gian. Tạp chí Công nghệ Wired cho biết, từ những năm 1975, sau khi hợp tác với Bộ Năng lượng thực hiện một loạt nghiên cứu về tính khả thi của SBSP, Cơ quan Không gian Mỹ (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 từ thời điểm đó.

Dù vậy, Washington vẫn luôn đặt niềm tin vào việc biến ý tưởng khai thác SBSP thành hiện thực. Tháng 10-2019, phòng thí nghiệm nghiên cứu không quân Mỹ đã công bố 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 đã 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 SBSP và đang tìm cách tài trợ các dự án liên quan với dự đoán nguồn tài nguyên công nghiệp đầu tiên mà chúng ta nhận được từ không gian là “năng lượng chùm”.