Cuộc đua thắp sáng Trái đất từ không gian

Trong bối cảnh chuyển đổi năng lượng toàn cầu tăng tốc và chi phí phóng tên lửa giảm mạnh, mô hình nhà máy điện mặt trời ngoài không gian được xem là hướng đi tham vọng của nhân loại nhằm giải quyết bài toán năng lượng dài hạn.

Nhiều cường quốc đã đưa lĩnh vực này vào chiến lược phát triển khoa học - công nghệ. Trung Quốc đang triển khai dự án “Công trình Trục Nhật”, đặt mục tiêu thử nghiệm phát điện công suất megawatt trên quỹ đạo vào khoảng năm 2030.

Tại Mỹ, tỷ phú Elon Musk từng đề cập kế hoạch xây dựng mạng lưới vệ tinh năng lượng mặt trời kết hợp trí tuệ nhân tạo (AI) với quy mô hàng trăm triệu kW mỗi năm.

Công nghệ này thu hút sự chú ý của toàn cầu vì những ưu thế vượt trội so với năng lượng truyền thống, đồng thời có thể trở thành một trong những giải pháp căn cơ cho khủng hoảng năng lượng toàn cầu.

Điện mặt trời ngoài không gian là hướng đi tham vọng nhằm giải quyết bài toán năng lượng dài hạn. (Ảnh minh họa)

Tiềm năng phát điện ngoài không gian

Ý tưởng về nhà máy điện mặt trời ngoài không gian được nhà khoa học Mỹ Peter Glaser đề xuất từ năm 1968.

Nguyên lý hoạt động tương tự vệ tinh viễn thông khi các tấm pin mặt trời đặt trên quỹ đạo luôn xoay về phía Mặt trời để thu bức xạ tối đa. Năng lượng sau đó chuyển đổi thành vi sóng và truyền xuống trạm thu trên mặt đất, rồi hòa vào lưới điện.

So với điện mặt trời trên mặt đất, điều kiện ngoài không gian gần như hoàn hảo: Không có mây che phủ, không bị gián đoạn bởi chu kỳ ngày - đêm và không chịu suy hao khí quyển.

Trên quỹ đạo địa tĩnh hoặc quỹ đạo đồng bộ Mặt trời, lượng bức xạ nhận được có thể cao gấp 8 - 10 lần so với mặt đất, đồng thời cho phép phát điện liên tục 24/24 giờ, nhờ đó, nhà máy điện ngoài không gian có tiềm năng trở thành “nguồn điện nền” ổn định, yếu tố quan trọng trong hệ thống năng lượng tương lai.

Về lý thuyết, nếu xây dựng một vành đai pin mặt trời rộng 1 km quanh quỹ đạo địa tĩnh, năng lượng thu được trong một năm có thể tương đương tổng trữ lượng dầu mỏ có thể khai thác của Trái đất.

Ngoài việc cung cấp điện cho lưới điện mặt đất, hệ thống này còn mở ra nhiều ứng dụng khác.

Các vệ tinh có thể bỏ bớt những tấm pin mặt trời cồng kềnh, thay bằng ăng-ten thu nhỏ gọn và nhận điện từ “trạm sạc không gian”, qua đó tăng tính linh hoạt và kéo dài thời gian hoạt động. Công nghệ cũng cho phép truyền đồng thời năng lượng và dữ liệu, giúp tối ưu hoạt động của vệ tinh viễn thông và định vị.

Trong tương lai, nhà máy điện ngoài không gian có thể cung cấp điện từ xa cho căn cứ Mặt trăng, trạm tiền tiêu trên sao Hỏa hoặc các thiết bị thăm dò không gian sâu.

Một số nhà nghiên cứu thậm chí đề xuất khả năng ứng dụng vi sóng công suất lớn để can thiệp vào các hệ thống khí quyển trong những tình huống thời tiết cực đoan, nhưng đây vẫn là ý tưởng ở mức lý thuyết.

Thách thức công nghệ

Dù tiềm năng lớn, việc xây dựng “nhà máy điện” trên quỹ đạo không hề đơn giản. Các phương án thiết kế hiện nay chủ yếu chia thành hai hướng, gồm hệ thống tập trung ánh sáng và hệ thống trải mảng quang điện diện tích lớn.

Hệ thống tập trung ánh sáng sử dụng thiết bị hội tụ để tăng hiệu suất chuyển đổi quang - điện và định hướng chính xác chùm vi sóng. Ưu điểm là cấu trúc gọn và nhẹ, nhưng đòi hỏi kiểm soát nhiệt và độ chính xác rất cao.

Điện mặt trời ngoài không gian có tiềm năng lớn nhưng còn nhiều thách thức công nghệ. (Ảnh minh họa)

Trong khi đó, phương án trải mảng quang điện lớn có thiết kế đơn giản hơn nhưng phải giải quyết bài toán triển khai cấu trúc siêu lớn trong môi trường vi trọng lực, đồng thời đảm bảo chùm vi sóng luôn hướng chính xác tới mục tiêu trên mặt đất hoặc trong không gian.

Ngoài ra, hàng loạt công nghệ then chốt vẫn cần được hoàn thiện như truyền năng lượng vi sóng công suất lớn ở khoảng cách xa với hiệu suất cao, lắp ráp cấu trúc khổng lồ trên quỹ đạo, kiểm soát nhiệt trong môi trường khắc nghiệt và đảm bảo vận hành ổn định lâu dài.

Cuộc đua tăng tốc

Những năm gần đây, công nghệ điện mặt trời ngoài không gian đã bước sang giai đoạn thử nghiệm thực tế.

Anh và Liên minh châu Âu đưa lĩnh vực này vào chiến lược năng lượng dài hạn. Mỹ tiến hành nhiều thử nghiệm thành phần trên quỹ đạo, trong đó năm 2023 một nhóm nghiên cứu tại Viện Công nghệ California đã truyền thành công chùm vi sóng từ không gian xuống mặt đất bằng thiết bị thử nghiệm nhỏ.

Nhật Bản thử nghiệm truyền điện vi sóng từ máy bay ở độ cao 7.000 m xuống 13 điểm thu dưới mặt đất, xác minh khả năng truyền năng lượng chính xác từ nền tảng chuyển động tốc độ cao.

Trung Quốc cũng đạt nhiều tiến triển với hệ thống thử nghiệm mặt đất cao 75 m, thực hiện truyền năng lượng cho nhiều mục tiêu di động và cải thiện độ chính xác định hướng chùm vi sóng.

Dù đạt nhiều bước tiến, nhà máy điện mặt trời ngoài không gian vẫn còn cách xa giai đoạn thương mại hóa.

Giới chuyên gia cho rằng ngoài việc giải quyết các thách thức kỹ thuật, lĩnh vực này đòi hỏi hợp tác quốc tế sâu rộng, chia sẻ chi phí nghiên cứu và xây dựng cơ chế phối hợp giữa chính phủ, doanh nghiệp và các viện nghiên cứu.

Nếu vượt qua rào cản công nghệ và chi phí, nguồn năng lượng sạch từ không gian có thể trở thành một trụ cột mới của hệ thống năng lượng toàn cầu trong thế kỷ 21.

Hoa Vũ (Theo Thời báo Hoàn Cầu)