Đây là một ý tưởng đã mọc lên từ những bộ phim khoa học viễn tưởng từ giữa thế kỷ trước và được xem xét nghiêm túc vào những năm thập niên 70, đó là những năm vàng của những chuyến bay vào không gian.

Năng lượng Mặt Trời dựa vào không gian (Space-based solar power – SBSP) sau đó đã được bỏ qua vì quá đắt đỏ và được ký gửi trên gác xếp của những câu chuyện tưởng tượng trong Thời đại Không gian (Space Age), bên cạnh những trạm không gian trên Mặt Trăng và súng bắn tia (ray gun – loại súng bắn tia năng lượng chỉ xuất hiện trong những bộ phim viễn tưởng).

Nhưng giờ, SBSP đã trở lại. Những cơ quan không gian đang quay lại với ý tưởng xây dựng những mảng chứa những tấm quang năng khổng lồ di chuyển theo quỹ đạo, sau đó dẫn truyền năng lượng về Trái Đất thông qua sóng điện từ. 

Đặt những tấm quang năng lên không gian tưởng chừng như là không cần thiết (trong khi chúng ta vẫn có thể đặt chúng trên những nóc nhà của những tòa nhà), tuy nhiên tầm nhìn dành cho tương lai này có được những sự ủng hộ mạnh mẽ đằng sau nó.

Hàng triêu dollars Mỹ đang được rót vào cho ý tưởng “Những hòn đảo quang điện trên bầu trời”.

Chính phủ Anh, Mỹ và Trung Quốc đang tài trợ kinh phí cho những nghiên cứu, trong khi đó Cơ quan Vũ Trụ Châu Âu (European Space Agency – ESA) đã chấp thuận một nghiên cứu kéo dài 3 năm có tên Solaris.

Vậy bằng cách nào những mảng quang năng quỹ đạo hoạt động được? Và ý tưởng này được xếp hạng thế nào so với những giải pháp năng lượng Mặt Trời dưới mặt đất?

Năng lượng sạch truyền xuống từ không gian

Không gian là một nơi lý tưởng để đặt những tấm quang năng.

Với đúng quỹ đạo, Mặt Trời sẽ luôn phát sáng. Cộng với việc không có khí quyển hấp thu và phát tán bức xạ Mặt Trời, ánh sáng Mặt Trời sẽ lớn hơn, và những tế bào quang điện sẽ hấp thụ nhiều năng lượng hơn.

Theo lý thuyết, SBSP có thể cung cấp không gián đoạn năng lượng sạch ở mật độ tương đương năng lượng điện hạt nhân.

Hai thử thách bao gồm việc đưa những tấm quang năng lên không gian, và lấy năng lượng về từ đó.

Những thử thách này một phần do yếu tố kinh tế. Một lý do khiến ý tưởng SBSP quay trở lại là do chi phí vận chuyển lên không gian đã lao dốc.

Nhờ có những tên lửa tái sử dụng được, số tiền chi phí đã giảm gần 20 lần trong 2 thập kỷ gần đây, trong khi những tấm quang năng đã trở nên nhẹ hơn.

Để tạo ra nguồn năng lượng hữu ích, mỗi trang trại quang năng trên quỹ đạo phải lớn hơn gấp nhiều lần so với cấu trúc lớn nhất hiện nay trong không gian được con người xây dựng, Trạm vũ trụ Quốc tế ISS.

Tuy nhiên, bởi vì những mảng SBSP có thể di chuyển với quỹ đạo xa hơn rất nhiều, chúng có thể trông nhỏ hơn một trạm vũ trụ – kích thước cỡ bằng một ngôi sao nhỏ.

Nguồn năng lượng Mặt Trời thu thập được từ những vệ tinh có thể được chuyển đổi thành sóng điện từ và truyền đến “ăng-ten chỉnh lưu” (rectifying antennas hay rectennas) ở dưới mặt đất, sau đó được chuyển đổi thành điện năng.

Những chùm tia năng lượng sẽ không nướng chín những sinh vật chim bay ngang qua đường di chuyển của chúng. Cường độ ngay tại điểm trung tâm chỉ vào khoảng 3% độ lớn so với năng lượng của một lò vi sóng, theo một nghiên cứu từ năm 2009 [citation needed.

Tiến trình vận chuyển điện năng không dây, khi công nghệ cho phép, sẽ rất không hiệu quả. Phần lớn năng lượng thu thập được sẽ bị mất mát trong quá trình này.

Miễn là với khoảng 10% năng lượng được chuyển hóa trên những tấm quang năng, SBSP có thể khả thi về mặt kinh tế, những nghiên cứu đã cho thấy điều này.

SBSP sẽ không rẻ hơn những tấm quang năng trên mái nhà hay năng lượng gió, tuy nhiên nó có thể rẻ hơn năng lượng tái tạo bị gián đoán cộng thêm lưu trữ, Cơ quan Vũ Trụ Châu Âu ESA cho biết trong những tài liệu giải thích công khai rằng:

“SBSP không cạnh tranh với những nguồn năng lượng tái tạo bị gián đoạn, nhưng nó có thể có vai trò bổ sung cho những nguồn năng lượng tái tạo bị gián đoạn dưới mặt đất, giúp cung cấp sự ổn định và tin cậy cho mạng lưới có sẵn.Vì thế chúng nên đươc so sánh với những nguồn tải cơ sở khác như hạt nhân, carbon và năng lượng với công nghệ thu nạp và lưu trữ carbon hoặc sự triển khai ở quy mô rất lớn của những giải pháp lưu trữ năng lượng.

Gửi năng lượng tới những nơi cần đến

SBSP có một ưu thế khác nữa, nói bởi John Makins, một nhà cựu vật lý học từng làm việc cho NASA và hiện tại đang là đồng chủ tọa Ủy ban Thường trực của Học viện Du hành Vũ trụ Quốc tế về Năng lượng Mặt Trời Không gian.

“Năng lượng Mặt Trời Không gian có thể được triển khai ở quy mô châu lục.

“Một vệ tinh năng lượng Mặt Trời có thể cung cấp năng lượng cho buổi sáng hôm nay đến Melbourne, và ngay tại chiều hôm đó cũng với chính vệ tinh đó sẽ cung cấp năng lượng đến cho Ấn Độ.”

Có nghĩa là, nguồn năng lượng được tạo bởi vệ tinh có thể được chuyển đến bất kỳ thành phố nào trong đường ngắm và có ăng-ten chỉnh lưu phù hợp.

“Một vị trí quỹ đạo được phân bổ có thể nhìn thấy nước Úc cũng có thể nhìn thấy Ấn Độ, Trung Quốc, Đông Nam Á, Nhật Bản, và Hàn Quốc.

“Dải vị trí quỹ đạo phân bổ cho nước Úc phục vụ được cho 60% dân số toàn thế giới.”

Tiến sĩ Makins hình dung một tương lai nơi mà hàng trăm nền tảng quang điện quỹ đạo sẽ truyền đến “hàng trăm gigawatts” xuống Trái Đất.

“Đó như là những hòn đảo trên bầu trời … một khi chúng được hình thành, chúng sẽ phục vụ cho nhân loại về cơ bản là mãi mãi.”

“Đây là điều không tưởng

SBSP với quy mô này có thể thành hiện thực trước năm 2050, tiến sĩ Mankins nói.

Điều này nghe có vẻ đầy tham vọng, nhưng những nhà khoa học khác cùng ngành cũng đã đi đến những kết luận tương tự.

Martin Soltau là một nhà phân tích tại công ty tư vấn Frazer-Nash và đồng chủ tọa Space Energy Initiative, một tập thể các công ty, trường đại học và chính phủ giúp phát triển SBSP.

Một trạm năng lượng mặt trời ở “cấp độ gigawatt” có thể đạt được trong vòng 12 năm, Soltau nói.

“Sau đó … chúng tôi nghĩ rằng chúng tôi có thể xây nên và ủy nhiệm một trạm 2GW mỗi năm.”

Thực thể thương mại của Space Energy Initiative, Space Solar, đã có được khoảng 200 triệu đô-la tiền đầu tư ban đầu và đã tìm kiếm thêm khoảng hơn 150 triệu đô-la, theo lời ông Soltau, người là đồng giám đốc của chương trình mạo hiểm này.

“Đây là điều không tưởng, như là lên cung trăng vậy, nhưng chương trình của chúng tôi nhắm đến việc thực hiện nó một cách nhanh chóng.

“Không có gì ở đây chúng tôi thấy không khả thi cả.

“Sẽ có nhiều thử thách, nhưng tất cả đều có thể vượt qua, với mong muốn từ chính phủ, với sự sẵn sàng về mặt kinh phí.”

Nhưng liệu chúng ta có thực sự cần điều này?

Sự chỉ trích chính nhắm vào SBSP “lên cung trăng” rằng nó thực ra không cần thiết.

Năng lượng Mặt Trời thu thập được từ mặt đất đã tạo ra năng lượng rẻ nhất từng có trong lịch sử.

Tại sao phải rủi ro trong việc thử nghiệm một công nghệ có thể thất bại hoặc có kết cục sẽ tốn kém hơn hẳn so với dự tính?

“Tôi cảm thấy rất khó để tưởng tượng cách nào dể SBSP có thể cạnh tranh với những tấm pin quang năng dưới mặt đất, thậm chí trong trường hợp chi phí lưu trữ đã đươc đính kèm để cung cấp 24 giờ năng lượng.” Thomas White, một chuyên gia về năng lượng Mặt Trời thuộc Đại học Quốc gia Úc nói.

Ông ấy nói thêm thậm chí trong trường hợp công nghệ cho phép, SBSP cũng không phù hợp cho bối cảnh kinh tế.

Một phân tích về lợi ích chi phí được thực hiện bởi Cơ quan Vũ trụ Châu Âu ESA đã tính toán chi phí trung bình tạo ra điện năng bởi SBSP trên một vòng đời của một đơn vị phát điện, bao gồm thi công, bảo dưỡng và xử lý ngừng hoạt động.

Con số là 0.038-0.106 euros trên một kilowattt-giờ trước năm 2045 (tương đương 0.059-0.16 đô-la trên 1 kWh).

Với một phép so sánh, tiến sĩ White nói, năng lượng Mặt Trời thu thập dưới mặt đất có chi phí vào khoảng 0.03 euros trên 1 kWh – và con số đó càng ngày càng giảm xuống.

Con số đó không xem xét đến nhu cầu lưu trữ, tuy nhiên “chi phí lưu trữ đang được giảm xuống một cách rõ rệt.”

Năng lượng Mặt Trời trên không gian, tiến sĩ White nói, là “một công nghệ tương tai trên lý thuyết có thể phù hợp với chi phí vận hành năng lượng Mặt Trời dưới mặt đất trong vòng 20 năm tới.

“Trong khi chúng ta nên cân nhắc một loạt những chiến lược khác nhau để đạt được mục đích zero khí thải một cách nhanh nhất có thể, tôi vẫn chưa thấy một lý do đủ thuyết phục cho thấy rằng giải pháp năng lượng Mặt Trời trên không gian trở thành một trong những giải pháp.”

Những cơ quan hàng không đang nghiên cứu về ý tưởng này

Bị đe dọa trong cuộc tranh luận về SBSP là câu trả lời cho một câu hỏi rộng hơn về việc chuyển đổi năng lượng: Liệu thế giới cần những công nghệ mới để đạt được mục tiêu zero lượng khí thải nhà kính trươc năm 2050?

Liệu năng lượng gió và năng lượng Mặt Trời, với những thiết bị lưu trữ như pin và bơm thủy lực đủ để loại bỏ carbon khỏi mạng lưới điện?

Ở nước Úc, có một sự thống nhất chung rằng những thứ đó là đủ.

Những người ủng hộ SBSP như John Mankins hay Martin Soltau không đồng ý, tranh luận rằng, với một vài quốc gia khác, một mạng lưới năng lượng được vận hành dựa trên năng lượng tái tạo có gián đoạn cần nhiều sự lưu trữ hơn để có thể khả thi.

“Vấn đề là chúng ta sẽ không thể đạt được mục tiêu zero lượng khí thải với những công nghệ hiện tại. Nó đơn giản là không khả thi,” Ông Soltau nói.

Có hay không việc này xảy ra, nghiên cứu cho những công nghệ cần cho SBSP đang lặng lẽ được tiến hành trong những phòng thí nghiệm trên toàn thế giới.

Tháng 5 vừa qua, NASA đã công bố họ đã bắt đầu một nghiên cứu để tái khảo sát về tính khả thi của SBSP.

Một tháng sau, đến lượt Trung Quốc công bố một tháp thép cao 75 mét để trình diễn những bước tiến trong việc thu thập năng lượng Mặt Trời, chuyển đổi năng lượng đó thành sóng vô tuyến, và sau đó truyền tải chúng về ăng-ten thu nhận ở dưới mặt đất.

Tháng 7, chính phủ Anh đã cam kết thêm một khoản kinh phí 3 triệu bảng Anh (5.4 triệu đô-la Mỹ) để hỗ trợ cho những dự án SBSP.

Đến tháng 9, những kỹ sư của Airbus đã gửi thành công 2kW năng lượng được truyền không dây với khoảng cách lớn hơn 30 mét.

Vẫn còn là một quãng đường dài để có thể gửi được hàng gigawatts với khoảng cách lên đến hàng nghìn km, nhưng đây mới chỉ là sự khởi đầu.

Quyết định gần đây của Cơ quan Vũ trụ Châu Âu ESA về việc tiến hành dự án Solaris sẽ thúc đẩy khái niệm này và dẫn đầu cho những dự án sau này.

Thậm chí, ESA đang cách tối thiểu 3 năm từ việc cam kết đến thực sự thử nghiệm một phiên bản trạm năng lượng không gian.

Ở Úc, trong khi đó, có rất ít những sự thảo luận cộng đồng về SBSP.

Vào tháng 10, chính phủ Anh, cùng với ông Soltau, đã tiếp cận những chính quyền cấp bang ở Úc để xác định mối quan tâm của họ trong việc hợp tác về SBSP.

Cho đến nay, chưa có hiệp định hợp tác nào được công bố.

Vào năm 2019, dưới tư cách là giám đốc của công ty Solar Space Technologies có trụ sở đặt ở Melbourne, tiến sĩ Mankins đã tiết lộ một kế hoạch cho một mạng lưới về SBSP, tại đó ông ấy nói có thể thực thi trong vòng 8 năm.

Tại thời điểm đó, ông ấy đã hối thúc nước Úc phải hành động trước một vài quốc gia khác như Trung Quốc.

Ba năm sau, Solar Space Technologies vẫn đang “cố gắng tạo sự chú ý” đến chính quyền liên bang, tiến sĩ Mankins nói.

“Đây là một dự án khó đang được tiến hành.”

Nguồn: ABC Science.