Kế hoạch xây trạm năng lượng mặt trời trong không gian: lớn gấp 100 lần trạm vũ trụ ISS, cung cấp điện cho 875.000 hộ gia đình trong một năm

Liệu một trạm thu thập năng lượng ánh sáng Mặt Trời trong không gian có khả thi? Liệu đây có phải phương pháp hữu hiệu nhằm đối phó với vấn nạn biến đổi khí hậu?

Năng lượng Mặt Trời được bắn từ vũ trụ xuống lưới điện Trái Đất sẽ chạm tới ngưỡng gigawatt, tuy nhiên theo các chuyên gia tại Space Solar, Cơ quan Không gian Châu Âu (ESA) và Đại học Glasgow (Scotland), thì quá trình này có thể an toàn một cách bất ngờ với chi phí phải chăng.

Để công trình khổng lồ này có thể thực sự bước ra đời thực, các nhà khoa học, các kỹ sư, các chuyên gia đầu ngành sẽ đối mặt với những bài toán hóc búa ít lời giải.

Bước 1: Thiết kế

Công nghệ truyền tia năng lượng mặt trời từ không gian xuống mặt đất không còn mới: vệ tinh viễn thông đã đang gửi đi tín hiệu vi sóng xuống Trái Đất từ thập niên 60 đến nay. Tuy vậy, việc truyền năng lượng xuống lưới điện mặt đất lại là bài toán hoàn toàn khác.

“Ý tưởng này đã được đề xuất từ hơn một thế kỷ trước”, Nicol Caplin, nhà khoa học công tác tại ESA cho hay. “Nguyên bản, thì ý tưởng này quả thực thuộc về khoa học viễn tưởng, có nguồn gốc từ khoa học viễn tưởng. Nhưng theo thời gian, mối quan tâm tới công nghệ này thay đổi”.

Các nhà khoa học đã thiết kế và đề xuất nhiều mẫu trạm năng lượng mặt trời không gian. Hiện tại, dự án Solaris trực thuộc ESA đang thử nghiệm hai thiết kế: một thiết kế sẽ truyền tia vi sóng xuống các trạm mặt đất, mô hình còn lại sử dụng một tấm gương khổng lồ để dẫn ánh sáng chiếu tập trung xuống một trang trại năng lượng Mặt Trời.

Công nghệ truyền năng lượng vi sóng đang được ưa chuộng hơn do tiềm năng của chúng lớn hơn nhiều. Theo nhận định của chỉ đạo dự án Solaris, Sanjay Vijendran, thì quá trình truyền năng lượng vi sóng không bị ảnh hưởng bởi điều kiện thời tiết.

Theo nhận định của Andrew Glester, người dẫn chương trình nổi tiếng với podcast Thế giới Vật lý, thì “một cơ sở đạt ngưỡng 1-gigawatt sẽ có sản lượng tương ứng với trang trại năng lượng Mặt Trời thuộc top 5”, và sẽ có thể “cung cấp năng lượng cho 875.000 hộ gia đình trong một năm”.

Trước hết, dự án lớn sẽ phải giải quyết một số vấn đề hóc búa.

Theo một bài viết được đăng tải trên tạp chí khoa học Nature, một trạm năng lượng mặt trời không gian sử dụng công nghệ vi sóng và có sản lượng tới mức gigawatt sẽ có diện tích 1 km². Ước tính, công trình này lớn gấp 100 lần Trạm Vũ trụ Quốc tế (ISS), vốn cần tới 1 thập kỷ mới xây xong. Bên cạnh đó, quá trình lắp đặt sẽ cần được thực hiện bằng robot, bởi lẽ trạm năng lượng sẽ không bao gồm khu vực sinh hoạt cho kỹ sư và phi hành gia.

Chưa hết, những tấm pin mặt trời cần chống chịu được bức xạ không gian cũng như tác động vật lý từ rác thải không gian. Chúng sẽ phải hiệu quả, nhẹ cân và hiệu suất cao hơn các tấm pin mặt trời đại trà ngày nay. Chi phí xây dựng, hiệu suất truyền tải đều sẽ là những bài toán khó cần giải quyết, và sẽ cần tới tiến bộ và đột phá khoa học.

Bước 2: Đảm bảo an toàn, cho con người và cho chính thiết bị

Bởi lẽ những trạm năng lượng dạng này sẽ bắn xuống mặt đất bức xạ vô tuyến và vi sóng xuống Trái Đất, làm dấy lên những lo ngại về mặt sức khỏe.

Tuy nhiên, theo nghiên cứu ban đầu, những trạm này tương đối an toàn. Theo nhận định của chuyên gia Sanjay Vijendran, “ảnh hưởng duy nhất của những bước sóng này lên con người hay sinh vật sống là làm mô sống nóng lên”. Ông khẳng định: “Nếu bạn đứng dưới tia này với mức năng lượng như vậy, nó sẽ tương tự với việc bạn hứng ánh sáng Mặt Trời vào buổi đêm”.

Một số chuyên gia khác vẫn tỏ vẻ hoài nghi, cho rằng cần nghiên cứu thêm về tác động của vi sóng tới cơ thể con người, động vật, thực vật, vệ tinh và cơ sở hạ tầng dưới mặt đất cũng như tầng điện ly của Trái Đất. Năng lượng truyền không dây cũng không được phép làm ảnh hưởng tới hệ thống viễn thông, liên lạc hiện có.

Và ngay cả khi công nghệ được khoa học chứng minh là an toàn, rất có thể nhận thức của số đông vẫn khó xoay chuyển. Xét tới những vụ việc đã đang diễn ra xung quanh sóng 5G, có lẽ khái niệm “vi sóng truyền năng lượng từ quỹ đạo” sẽ còn đối mặt với vô vàn khó khăn.

Một trạm năng lượng mặt trời có kích cỡ lên tới cả kilomet vuông sẽ còn đối mặt với nguy cơ va chạm với rác thải không gian, vốn là vấn đề chưa được giải quyết của ngành hàng không vũ trụ.

Cuối cùng, dự án lớn nhường này sẽ phải có ích cho môi trường. Quá trình xây dựng trạm, đưa nó lên quỹ đạo, quản lý và duy trì nó đều phải tính tới ảnh hưởng của nó tới môi trường.

Bước 3: tính toán giá trị trạm năng lượng mặt trời không gian mang lại

Chi phí vẫn luôn là bài toán khó giải quyết trong những dự án xây dựng các trạm năng lượng mặt trời quy mô lớn. Tuy nhiên, khi chi phí các cuộc phóng tàu đang ngày một giảm, dự án sẽ có thể khả thi trong tương lai.

Theo lời Sanjay Vijendran, chi phí có thể so sánh được với chi phí vận hành trạm năng lượng hạt nhân ngày nay, với “khoảng 100 tới 200 USD trên mỗi megawatt-giờ”, và chi phí sẽ giảm dần trong tương lai.

Ông nhận định chi phí của trạm năng lượng mặt trời không gian rồi sẽ cạnh tranh được với điện mặt trời và điện gió, hiện đang ở mức dưới 50 USD với mỗi megawatt-giờ. Theo dữ liệu của Cơ quan Thông tin Năng lượng Hoa Kỳ (EIA), chi phí của điện mặt trời và điện gió năm 2021 đang dao động ở mức 20-45 USD/megawatt-giờ.

Các chuyên gia cho rằng một khi số đông chứng kiến một trạm quy mô nhỏ trên quỹ đạo, chứng minh tính khả thi của dự án “trên trời” này, tình thế sẽ xoay chuyển theo hướng tốt. Ngay lúc này, nhiều tổ chức cũng như các trường đại học hàng đầu đang nghiên cứu những trạm không gian có thể chuyển ánh sáng Mặt Trời thành điện năng với khối lượng siêu nhẹ, lắp đặt dễ dàng trong không gian, thậm chí gập gọn được.

Trên những hệ thống tên lửa giá rẻ của SpaceX của Elon Musk hay Origin của Jeff Bezos, những hệ thống dạng này sẽ sớm lên quỹ đạo và chứng minh khả năng của mình.

Tương lai bất định của một trạm năng lượng mặt trời không gian đang sáng dần theo thời gian, và một ngày sẽ biến ánh sáng Mặt Trời thành tia năng lượng vô hình, bắn thẳng xuống Trái Đất để cung cấp điện năng tới bất cứ đâu.

Tham khảo ArsTechnica