Trong bối cảnh nỗ lực chống biến đổi khí hậu và tìm kiếm nguồn năng lượng bền vững, công nghệ truyền điện Mặt trời từ Vũ trụ về Trái Đất (Space-Based Solar Power – SBSP) nổi lên như một giải pháp hứa hẹn. Mặc dù vẫn còn đối mặt với nhiều thách thức, SBSP có tiềm năng giúp con người giảm phụ thuộc vào nhiên liệu hóa thạch và chuyển hướng sang năng lượng xanh.
Ý tưởng sản xuất điện Mặt trời trong vũ trụ (SBSP) đã tồn tại ít nhất từ những năm cuối thập kỷ 1960, với mục tiêu sử dụng vệ tinh thu thập năng lượng từ Mặt Trời và truyền về Trái Đất thông qua chùm vi sóng. Tuy nhiên, bất chấp tiềm năng to lớn, ý tưởng này không nhận được sự quan tâm rộng rãi do vấn đề về chi phí và công nghệ. Nếu có thể giải quyết các vướng mắc này, SBSP có thể đóng góp quan trọng vào việc chuyển đổi từ nhiên liệu hóa thạch sang nguồn năng lượng sạch.
Con người từ lâu đã khai thác năng lượng Mặt Trời thông qua nhiều công nghệ khác nhau như điện quang (PV) và nhiệt Mặt Trời (STE). Tuy nhiên, những phương pháp này gặp hạn chế về diện tích sử dụng và phụ thuộc vào ánh sáng và gió hiện có. Trong khi các công nghệ trên mặt đất không thể thu thập năng lượng vào ban đêm hoặc trong điều kiện thời tiết không thuận lợi, SBSP có thể giải quyết vấn đề này.
Một vệ tinh trên quỹ đạo địa tĩnh (GEO), quỹ đạo hình tròn ở độ cao 36.000 km phía trên Trái đất, tiếp xúc với Mặt trời hơn 99% thời gian trong cả năm. Điều này cho phép nó sản xuất năng lượng xanh 24/7. GEO cũng rất thuận lợi cho việc truyền điện từ vệ tinh đến máy thu nhận trên mặt đất hoặc trạm điện, nhờ vị trí tương đối ổn định của nó. Theo các nhà nghiên cứu, khả năng năng lượng Mặt Trời có sẵn từ GEO có thể nhiều gấp 100 lần so với ước tính nhu cầu năng lượng toàn cầu của nhân loại vào năm 2050.
Việc truyền năng lượng từ không gian xuống mặt đất đòi hỏi việc truyền điện không dây. Sử dụng sóng vi sóng để truyền điện giúp giảm thiểu thất thoát điện trong khí quyển, thậm chí khi thời tiết không thuận lợi. Chùm vi sóng được truyền từ vệ tinh và tập trung vào trạm thu nhận trên mặt đất. Tại đó, sóng điện từ sẽ được chuyển đổi thành điện năng. Mặc dù cần một trạm mặt đất có đường kính khoảng 5 km hoặc hơn ở các vĩ tuyến cao, diện tích này vẫn nhỏ hơn so với diện tích cần thiết cho các hệ thống năng lượng xanh khác.
Giới nghiên cứu đã đề xuất nhiều thiết kế SBSP kể từ ý tưởng đầu tiên của Peter Glaser vào năm 1968. Ở SBSP, năng lượng được biến đổi vài lần (ánh sáng – điện – vi sóng – điện) và một phần bị thất thoát dưới dạng nhiệt. Để đưa 2 gigawatt (GW) vào lưới điện, vệ tinh sẽ cần thu thập khoảng 10 GW.
Một thiết kế gần đây mang tên CASSIOPeiA bao gồm hai máy phản xạ có thể chỉnh hướng rộng 2 km. Chúng phản chiếu ánh sáng Mặt trời vào một loạt pin quang năng. Sau đó, hệ thống máy phát điện đường kính 1.700 m có thể chĩa thẳng vào trạm mặt đất. Ước tính vệ tinh sẽ có khối lượng 2.000 tấn.
Thiết kế khác tên SPS-ALPHA khác với CASSIOPeiA ở chỗ bộ thu thập ánh sáng Mặt trời là một cấu trúc lớn hình thành từ nhiều máy phản xạ dạng module nhỏ gọi là heliostat, mỗi máy có thể di chuyển độc lập. Chúng được sản xuất hàng loạt để giảm chi phí.
Năm 2023, các nhà khoa học ở Viện Công nghệ California phóng MAPLE, một thí nghiệm vệ tinh quy mô bé truyền lượng điện nhỏ về viện. MAPLE chứng minh công nghệ này có thể dùng để truyền điện về Trái đất.
Hiện nay, Cơ quan Vũ trụ châu Âu đang đánh giá tính khả thi của SBSP với sáng kiến SOLARIS, theo sau là kế hoạch phát triển đầy đủ công nghệ vào năm 2025. Các nước khác gần đây cũng thông báo kế hoạch truyền điện về Trái đất năm 2025, và chuyển sang hệ thống lớn hơn trong vòng hai thập kỷ.
Hạn chế chính đối với SBSP là khối lượng khổng lồ cần phóng vào không gian và chi phí trên mỗi kilogram. Những công ty như SpaceX và Blue Origin đang phát triển phương tiện phóng hạng nặng, tập trung vào tái sử dụng nhiều bộ phận phương tiện sau khi bay. Cách này có thể giúp giảm 90% chi phí phóng. Ngay cả khi sử dụng phương tiện Starship của SpaceX, có thể phóng 150 tấn hàng lên quỹ đạo thấp của Trái đất, vệ tinh SBSP vẫn đòi hỏi hàng trăm lần phóng. Một số bộ phận được thiết kế để mở rộng, có thể in 3D trong vũ trụ.
Nhiệm vụ SBSP sẽ rất thách thức và cần đánh giá đầy đủ nguy cơ. Trong khi điện sản xuất hoàn toàn là năng lượng xanh, tác động ô nhiễm từ hàng trăm lần phóng rất khó dự đoán. Ngoài ra, kiểm soát cấu trúc lớn như vậy trong vũ trụ sẽ đòi hỏi lượng lớn nhiên liệu, buộc các kỹ sư phải làm việc với hóa chất độc hại. Pin quang năng sẽ bị ảnh hưởng bởi quá trình xuống cấp, hiệu suất giảm dần theo thời gian, từ 1 đến 10% mỗi năm. Tuy nhiên, việc bảo trì và tiếp nhiên liệu có thể kéo dài tuổi thọ vệ tinh. Một chùm vi sóng đủ mạnh để truyền đến mặt đất có thể gây hại cho bất cứ thứ gì trên đường. Vì lý do an toàn, mật độ năng lượng của chùm vi sóng cần phải hạn chế.
Nguồn: Space
