Công nghệ truyền điện mặt trời từ vũ trụ về Trái Đất

Ý tưởng sản xuất điện mặt trời trong vũ trụ (SBSP), sử dụng vệ tinh để thu thập năng lượng từ Mặt Trời và truyền về các điểm thu nhận trên Trái Đất, đã tồn tại ít nhất từ cuối thập niên 1960, theo Science Alert. Bất chấp tiềm năng khổng lồ, ý tưởng này không thu hút nhiều sự chú ý do chi phí và trở ngại về mặt công nghệ. Nếu có thể giải quyết vấn đề, SBSP sẽ trở thành một phần quan trọng giúp thế giới chuyển từ nhiên liệu hóa thạch sang năng lượng xanh.

Con người từ lâu đã thu thập năng lượng từ Mặt Trời, thông qua nhiều công nghệ khác nhau như quang điện (PV) và nhiệt mặt trời (STE). Năng lượng Mặt Trời cũng được thu thập gián tiếp, chẳng hạn như phong năng, do gió sinh ra bởi sự ấm lên không đều của khí quyển dưới tác động của Mặt Trời. Nhưng những dạng sản xuất năng lượng xanh này có hạn chế. Chúng chiếm nhiều diện tích trên mặt đất và bị giới hạn bởi ánh sáng và gió có sẵn. Ví dụ, trang trại mặt trời không thể thu thập năng lượng vào ban đêm và thu được ít hơn vào mùa đông hoặc ngày nhiều mây.

PV trên quỹ đạo không bị hạn chế bởi ban đêm. 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 rất lý tưởng khi cần truyền năng lượng từ tàu vũ trụ tới máy thu nhận, hoặc trạm mặt đất, do vệ tinh tại vị trí đó ở nguyên một chỗ so với Trái Đất. Giới nghiên cứu cho rằng năng lượng mặt trời có sẵn từ GEO nhiều gấp 100 lần so với ước tính về nhu cầu điện toàn cầu của nhân loại năm 2050.

Truyền năng lượng thu thập trong không gian về mặt đất đòi hỏi truyền điện không dây. Sử dụng vi sóng để truyền điện giúp giảm thiểu thất thoát điện trong khí quyển, ngay cả khi trời nhiều mây. Chùm vi sóng truyền bởi vệ tinh sẽ tập trung vào trạm mặt đất. Tại đó, ăngten biến đổi sóng điện từ thành điện. Trạm mặt đất sẽ cần có đường kính 5 km hoặc lớn hơn nếu ở vĩ tuyến cao. Tuy nhiên, diện tích này vẫn nhỏ hơn khu đất cần thiết để sản xuất lượng điện tương đương bằng quang năng hoặc phong năng.

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.