Mô phỏng vệ tinh điện Mặt Trời CASSIOPeiA do Anh thiết kế. Ảnh: Space Solar
Ali Hajimiri, giáo sư kỹ thuật điện ở Viện Công nghệ California (Caltech) đã dành một thập kỷ để nghiên cứu cách đưa pin quang năng vào không gian và truyền năng lượng về Trái Đất, theo CNN . Trong năm nay, Hajimiri và cộng sự tiến thêm một bước trong việc biến sản xuất năng lượng mặt trời trong vũ trụ thành hiện thực. Hồi tháng 1/2023, họ phóng Maple, một nguyên mẫu dài 30 cm trang bị bộ truyền phát siêu nhẹ linh hoạt. Mục tiêu của họ là thu thập năng lượng từ Mặt Trời và truyền không dây trong không gian. Lượng điện nhóm nghiên cứu thu được đủ thắp sáng hai bóng đèn LED.
Tuy nhiên, mục tiêu mở rộng của các nhà nghiên cứu là xem xét liệu Maple có thể truyền năng lượng về Trái Đất hay không. Trong tháng 5/2023, cả nhóm quyết định tiến hành một thử nghiệm để tìm hiểu những gì sẽ xảy ra. Trên một mái nhà trong sân viện Caltech ở Pasadena, California, Hajimiri và nhiều nhà khoa học khác có thể thu được tín hiệu của Maple. Năng lượng mà họ phát hiện quá nhỏ để sử dụng được, nhưng họ đã gặt hái thành công trong truyền điện không dây từ vũ trụ.
Sản xuất điện mặt trời trong vũ trụ không phải là ý tưởng quá phức tạp. Con người có thể khai thác năng lượng khổng lồ của Mặt Trời trong không gian. Đây là nguồn điện có sẵn thường xuyên, không bị ảnh hưởng bởi thời tiết xấu, độ che phủ mây, thời gian ban đêm hay các mùa. Có nhiều ý tưởng khác nhau nhằm thực hiện việc này, nhưng phương pháp hoạt động như sau. Các vệ tinh lắp pin quang năng có đường kính dài hơn 1,6 km sẽ được phóng lên quỹ đạo ở độ cao lớn. Do kích thước đồ sộ của cấu trúc, chúng bao gồm hàng trăm nghìn module nhỏ hơn sản xuất hàng loạt, giống như viên gạch lego, được lắp ráp trong không gian bởi những cỗ máy robot tự động.
Pin quang năng của vệ tinh sẽ thu năng lượng Mặt Trời, biến đổi thành vi sóng và truyền không dây về Trái Đất qua thiết bị phát tín hiệu rất lớn, có thể truyền tới vị trí cụ thể trên mặt đất với độ chính xác cao. Vi sóng có thể dễ dàng xuyên qua những đám mây và thời tiết xấu, hướng đến ăngten thu nhận trên Trái Đất. Sau đó, vi sóng được biến đổi trở lại thành điện và đưa vào lưới điện.
Ăngten thu nhận có đường kính khoảng 6 km, có thể xây trên đất liền hoặc ngoài khơi. Do cấu trúc dạng lưới này gần như trong suốt, phần đất bên dưới chúng có thể dùng để đặt pin quang năng, trang trại hoặc phục vụ hoạt động khác. Một vệ tinh thu thập năng lượng Mặt Trời trong vũ trụ có thể cung cấp 2 gigawatt điện, tương đương hai nhà máy điện hạt nhân cỡ trung bình ở Mỹ.
Rào cản lớn đối với công nghệ trên là chi phí tốn kém khi đặt nhà máy điện trên quỹ đạo. Trong thập kỷ qua, điều đó bắt đầu thay đổi khi các công ty như SpaceX và Blue Origin bắt đầu phát triển tên lửa tái sử dụng. Chi phí phóng hiện nay vào khoảng 1.500 USD/kg, ít hơn khoảng 30 lần so với thời tàu con thoi vào đầu thập niên 1980.
Những người ủng hộ ý tưởng cho rằng sản xuất điện mặt trời trong không gian có thể cung cấp cho các nước phát triển có nhu cầu lớn về năng lượng nhưng thiếu cơ sở hạ tầng. Nguồn điện này cũng có thể phục vụ nhiều thị trấn và ngôi làng hẻo lánh ở Bắc Cực chìm trong bóng tối hoàn toàn hàng tháng trời mỗi năm, và hỗ trợ cộng đồng bị mất điện do thiên tai hoặc xung đột.
Tuy vẫn còn khoảng cách lớn giữa ý tưởng và việc thương mại hóa, các chính phủ và công ty trên khắp thế giới tin tưởng điện mặt trời trong không gian có thể đáp ứng nhu cầu điện sạch ngày càng tăng và giúp đối phó khủng hoảng khí hậu. Tại Mỹ, Phòng thí nghiệm nghiên cứu không quân lên kế hoạch phóng thiết bị thử nghiệm nhỏ mang tên Arachne vào năm 2025. Phòng thí nghiệm nghiên cứu hải quân Mỹ từng phóng một module trong tháng 5/2020 trên phương tiện thử nghiệm quỹ đạo, để kiểm tra phần cứng sản xuất điện mặt trời trong điều kiện không gian. Viện hàn lâm công nghệ vũ trụ Trung Quốc đặt mục tiêu phóng một vệ tinh pin quang năng lên quỹ đạo thấp năm 2028 và quỹ đạo cao năm 2030.
Chính phủ Anh từng tiến hành một nghiên cứu độc lập và kết luận sản xuất điện mặt trời trong không gian khả thi về mặt kỹ thuật với những thiết kế như CASSIOPeiA, vệ tinh 1,7 km có thể cung cấp 2 gigawatt điện. Liên minh châu Âu cũng phát triển chương trình Solaris để xác định độ khả thi về mặt kỹ thuật của điện mặt trời trong không gian.
Tại California, Hajimiri và cộng sự đã dành 6 tháng qua để kiểm tra áp lực nguyên mẫu nhằm thu thập dữ liệu thiết kế thế hệ tiếp theo. Mục tiêu cuối cùng của Hajimiri là một loạt cánh buồm nhẹ linh hoạt có thể vận chuyển, phóng và mở ra trong không gian với hàng tỷ bộ phận hoạt động đồng bộ hoàn hảo để đưa năng lượng tới những nơi cần thiết.
