Trạm điện Mặt trời ngoài vũ trụ hoạt động thế nào?

Trạm điện Mặt trời trên không gian nhận được ánh sáng liên tục 24 tiếng mỗi ngày nhưng đòi hỏi chi phí lớn và rủi ro hỏng hóc cao.

Điện Mặt trời vũ trụ bao gồm việc thu thập năng lượng Mặt trời ngoài không gian và truyền về Trái đất. Ý tưởng này không mới, nhưng những tiến bộ công nghệ gần đây giúp nó trở nên khả thi hơn, theo Jovana Radulovic, trưởng khoa Cơ khí và Kỹ thuật Thiết kế tại Đại học Portsmouth (Anh).

Mô phỏng các tấm pin Mặt trời hoạt động ngoài không gian. (Ảnh: NASA).

Hệ thống điện Mặt trời vũ trụ đòi hỏi một tàu vũ trụ khổng lồ trang bị nhiều tấm quang năng. Chúng sẽ sản xuất điện, sau đó truyền tải không dây về Trái đất thông qua sóng vô tuyến tần số cao. Một ăng-ten mặt đất, gọi là rectenna, sẽ chuyển đổi sóng vô tuyến thành điện rồi hòa vào lưới điện.

Trạm năng lượng Mặt trời trên quỹ đạo được Mặt trời chiếu sáng 24 tiếng mỗi ngày nên có thể sản xuất điện liên tục. Đây là lợi thế so với các hệ thống dưới Trái đất, chỉ sản xuất điện vào ban ngày và phụ thuộc thời tiết. Với nhu cầu năng lượng thế giới dự kiến tăng gần 50% vào năm 2050, năng lượng Mặt trời vũ trụ có thể là chìa khóa giúp đáp ứng nhu cầu điện ngày càng tăng và giải quyết sự gia tăng nhiệt độ toàn cầu, Radulovic nhận định.

Tuy nhiên, việc xây dựng trạm năng lượng Mặt trời vũ trụ cũng gặp rất nhiều thách thức. Trạm thường thiết kế theo kiểu module và cần các robot lắp ráp trên quỹ đạo. Việc đưa cả robot lẫn module lên không gian vô cùng khó khăn, tốn kém và có thể gây hại đến môi trường.

Ban đầu, trọng lượng của các tấm pin Mặt trời cũng là một vấn đề. Nhưng điều này đã được giải quyết nhờ sự phát triển của loại tế bào năng lượng siêu nhẹ (một tấm pin Mặt trời gồm nhiều tế bào nhỏ).

Điện Mặt trời vũ trụ giờ được coi là khả thi về mặt kỹ thuật chủ yếu nhờ những tiến bộ trong công nghệ như pin nhẹ, truyền tải điện không dây và robot không gian. Tuy nhiên, việc lắp ráp dù chỉ một trạm điện Mặt trời vũ trụ cũng sẽ đòi hỏi nhiều lần phóng tàu. Dù trạm được xây dựng với mục đích giảm lượng khí thải carbon trong dài hạn, các vụ phóng như vậy lại thải ra lượng khí lớn và gây tốn kém. Việc các công ty như Space X phát triển tên lửa tái sử dụng có thể giúp giảm chi phí xây trạm điện Mặt trời trên không gian.

Sau khi xây dựng thành công, trạm điện Mặt trời vũ trụ vẫn phải đối mặt với nhiều thách thức khác. Các tấm pin có thể bị hư hại do rác vũ trụ đâm vào. Chúng cũng không được khí quyển Trái đất bảo vệ và phải tiếp xúc với bức xạ Mặt trời mạnh, đồng nghĩa sẽ xuống cấp nhanh hơn so với pin Mặt trời trên Trái đất, làm giảm lượng điện sản xuất được.

Hiệu quả của việc truyền tải điện không dây cũng là một vấn đề. Truyền năng lượng qua khoảng cách lớn, trong trường hợp này là từ tàu vũ trụ xuống mặt đất, không hề đơn giản. Với công nghệ hiện tại, sẽ chỉ có một phần nhỏ năng lượng Mặt trời thu được chạm đến Trái đất.

Bất chấp những thách thức kể trên, các chuyên gia vẫn đang nghiên cứu triển khai một số dự án điện Mặt trời vũ trụ. Nhóm Dự án Điện Mặt trời Vũ trụ tại Mỹ đang phát triển pin Mặt trời hiệu suất cao cũng như một hệ thống chuyển đổi và truyền tải được tối ưu hóa để sử dụng ngoài không gian. Phòng thí nghiệm Nghiên cứu Hải quân Mỹ thử nghiệm một module năng lượng Mặt trời và hệ thống chuyển đổi điện trong không gian năm 2020. Trong khi đó, Trung Quốc thông báo kế hoạch xây trạm năng lượng Mặt trời vũ trụ Bishan với mục tiêu hoạt động vào năm 2035.

Tại Anh, các chuyên gia đang cân nhắc dự án phát triển điện Mặt trời vũ trụ trị giá 17 tỷ bảng. Dự án sẽ bắt đầu với các thử nghiệm nhỏ, sau đó tiến tới xây trạm điện Mặt trời hoạt động được vào năm 2040. Trạm này dự kiến có đường kính 1,7 km và nặng khoảng 2.000 tấn. Ăng-ten dưới mặt đất sẽ có kích thước khổng lồ, khoảng 6,7 km x 13 km, nhiều khả năng được đặt ngoài biển. Trạm dự kiến cung cấp 2GW điện cho nước Anh.

• Những nhà khoa học "cứu rỗi" nhân loại khỏi đại dịch
• Kỳ lạ sinh vật thức giấc sau hơn 100 triệu năm ngủ dưới đáy đại dương
• Bể nhiên liệu siêu nhẹ chứa được hơn 150kg hydro