Báo cáo cho biết Vương quốc Anh muốn xây dựng một trạm năng lượng mặt trời khổng lồ trong không gian — làm thế nào nó hoạt động?

Chính phủ Vương quốc Anh đang xem xét một đề xuất trị giá £16 tỷ để xây dựng một trạm năng lượng mặt trời trong không gian.

Đúng vậy, bạn đã đọc đúng. Năng lượng mặt trời dựa trên không gian là một trong những công nghệ xuất hiện trong Danh mục Đổi mới Net Zero của chính phủ. Nó đã được xác định là một giải pháp tiềm năng, cùng với những giải pháp khác, để Vương quốc Anh đạt được mục tiêu không khí tinh khiết vào năm 2050.

Nhưng làm thế nào một trạm năng lượng mặt trời trong không gian hoạt động? Ưu điểm và nhược điểm của công nghệ này là gì?

Năng lượng mặt trời dựa trên không gian liên quan đến việc thu thập năng lượng mặt trời trong không gian và chuyển nó về Trái Đất. Mặc dù ý tưởng chưa phải là mới, những tiến bộ công nghệ gần đây đã làm cho khả năng này trở nên khả thi hơn.

Hệ thống năng lượng mặt trời dựa trên không gian bao gồm một vệ tinh năng lượng mặt trời — một tàu vũ trụ khổng lồ trang bị tấm pin năng lượng mặt trời. Những tấm này tạo ra điện năng, sau đó được truyền không dây về Trái Đất qua sóng radio tần số cao. Một ăng-ten ở mặt đất, gọi là rectenna, được sử dụng để chuyển đổi sóng radio thành điện năng, sau đó được cung cấp vào lưới điện.

Một trạm năng lượng mặt trời dựa trên không gian ở quỹ đạo được chiếu sáng bởi Mặt Trời 24 giờ mỗi ngày và do đó có thể tạo ra điện năng liên tục. Điều này là một ưu điểm so với các hệ thống năng lượng mặt trời trên Trái Đất, chỉ có thể sản xuất điện vào ban ngày và phụ thuộc vào thời tiết.

Với dự đoán nhu cầu năng lượng toàn cầu sẽ tăng gần 50% vào năm 2050, năng lượng mặt trời dựa trên không gian có thể là chìa khóa để giúp đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng trên ngành năng lượng thế giới và đối mặt với sự tăng nhiệt toàn cầu.

Một số thách thức

Một trạm năng lượng mặt trời dựa trên không gian dựa trên thiết kế có thể thay đổi, nơi một lượng lớn các mô-đun mặt trời được lắp ráp bởi robot trong quỹ đạo. Việc vận chuyển tất cả các yếu tố này lên không gian là khó khăn, tốn kém và sẽ gây ảnh hưởng đến môi trường.

Trọng lượng của các tấm pin mặt trời đã được xác định là một thách thức sớm. Nhưng điều này đã được giải quyết thông qua việc phát triển tế bào năng lượng mặt trời siêu nhẹ (một tấm pin mặt trời bao gồm các tế bào năng lượng mặt trời nhỏ hơn).

Năng lượng mặt trời dựa trên không gian được coi là kỹ thuật khả thi chủ yếu là do sự tiến bộ trong các công nghệ chính, bao gồm tế bào năng lượng mặt trời nhẹ, truyền tải năng lượng không dây và robot không gian.

Quan trọng nhất, việc lắp ráp ngay cả một trạm năng lượng mặt trời dựa trên không gian sẽ đòi hỏi nhiều chuyến bay của tàu vũ trụ. Mặc dù năng lượng mặt trời dựa trên không gian được thiết kế để giảm lượng khí thải carbon trong dài hạn, nhưng việc phóng tàu vũ trụ vẫn gây ra lượng lớn khí thải cũng như chi phí.

Tàu vũ trụ hiện nay không thể tái sử dụng, mặc dù các công ty như Space X đang nỗ lực thay đổi điều này. Việc có thể tái sử dụng hệ thống phóng tàu sẽ giảm đáng kể chi phí tổng cộng của năng lượng mặt trời dựa trên không gian.

Nếu chúng ta thành công xây dựng một trạm năng lượng mặt trời dựa trên không gian, hoạt động của nó sẽ đối mặt với nhiều thách thức thực tế. Các tấm năng lượng mặt trời có thể bị hỏng bởi rác không gian. Hơn nữa, các tấm ở không gian không được che chắn bởi khí quyển Trái Đất. Tiếp xúc với bức xạ mặt trời cường độ cao hơn có nghĩa là chúng sẽ suy giảm nhanh hơn so với những tấm trên Trái Đất, điều này sẽ làm giảm công suất chúng có thể tạo ra.

Hiệu suất của truyền tải năng lượng không dây là một vấn đề khác. Truyền tải năng lượng qua các khoảng cách lớn — trong trường hợp này từ một vệ tinh năng lượng mặt trời ở không gian đến mặt đất — là khó khăn. Dựa trên công nghệ hiện tại, chỉ một phần nhỏ của năng lượng mặt trời thu thập được sẽ đến Trái Đất.

Các dự án thử nghiệm đã bắt đầu triển khai

Dự án Năng Lượng Mặt Trời Không Gian tại Hoa Kỳ đang phát triển tế bào năng lượng mặt trời hiệu suất cao cũng như hệ thống chuyển đổi và truyền tải tối ưu hóa cho việc sử dụng trong không gian. Viện Nghiên cứu Hải quân Hoa Kỳ kiểm tra một mô-đun năng lượng mặt trời và hệ thống chuyển đổi năng lượng trong không gian vào năm 2020. Trong khi đó, Trung Quốc đã công bố tiến triển về Trạm Năng Lượng Mặt Trời Không Gian Bishan của họ, với mục tiêu có hệ thống hoạt động vào năm 2035.

Tại Anh, một dự án phát triển năng lượng mặt trời dựa trên không gian trị giá £17 tỷ được coi là một khái niệm khả thi dựa trên báo cáo gần đây của Tư vấn Frazer-Nash. Dự kiến dự án sẽ bắt đầu với các thử nghiệm nhỏ, dẫn đến một trạm năng lượng mặt trời hoạt động vào năm 2040.

Vệ tinh năng lượng mặt trời sẽ có đường kính 1,7km, nặng khoảng 2.000 tấn. Ổ anten trên mặt đất chiếm nhiều không gian - khoảng 6,7km bởi 13km. Với việc sử dụng đất trên khắp Anh, khả năng cao nó sẽ được đặt ở ngoài khơi.

Vệ tinh này sẽ cung cấp 2GW năng lượng cho Anh. Mặc dù đây là một lượng năng lượng đáng kể, nhưng nó chỉ đóng góp một phần nhỏ vào khả năng phát điện của Anh, là khoảng 76GW.

Với chi phí khởi đầu cực kỳ cao và hiệu suất đầu tư chậm, dự án sẽ cần nguồn lực chính phủ đáng kể cũng như đầu tư từ các công ty tư nhân.

Nhưng theo sự tiến bộ của công nghệ, chi phí phóng vào không gian và sản xuất sẽ giảm dần. Và quy mô của dự án sẽ cho phép sản xuất hàng loạt, điều này nên giảm chi phí một cách đáng kể.

Việc năng lượng mặt trời từ không gian có thể giúp chúng ta đạt được mục tiêu không khí trắng đến năm 2050 vẫn còn là một ẩn số. Các công nghệ khác như lưu trữ năng lượng đa dạng và linh hoạt, hydrogen và sự phát triển của các hệ thống năng lượng tái tạo được hiểu biết tốt hơn và có thể được áp dụng một cách dễ dàng hơn.

Bài viết của Jovana Radulovic, Hiệu trưởng Trường Kỹ thuật Cơ khí và Thiết kế, Đại học Portsmouth được tái bản từ The Conversation dưới giấy phép Creative Commons. Đọc bài viết gốc.