Caltech sẽ phóng bản demo công nghệ năng lượng mặt trời không gian vào quỹ đạo vào tháng 1
của Robert Perkins, Học viện Công nghệ California
Nguồn: Viện Công nghệ California
Vào tháng 1 năm 2023, Dự án năng lượng mặt trời không gian Caltech (SSPP) sẵn sàng phóng lên quỹ đạo một nguyên mẫu, được đặt tên là Thiết bị trình diễn năng lượng mặt trời không gian (SSPD), sẽ thử nghiệm một số thành phần chính của kế hoạch đầy tham vọng nhằm thu năng lượng mặt trời trong không gian và chùm tia năng lượng trở lại Trái đất.
Năng lượng mặt trời trong không gian cung cấp một cách để khai thác nguồn cung cấp năng lượng mặt trời thực tế không giới hạn ở ngoài vũ trụ, nơi năng lượng luôn sẵn có mà không phải tuân theo các chu kỳ ngày và đêm, các mùa và mây che phủ.
Việc ra mắt, hiện được dự kiến vào đầu tháng 1, đánh dấu một cột mốc quan trọng trong dự án và hứa hẹn biến điều từng là khoa học viễn tưởng thành hiện thực. Khi được thực hiện đầy đủ, SSPP sẽ triển khai một chòm sao tàu vũ trụ mô-đun thu thập ánh sáng mặt trời, biến nó thành điện, sau đó truyền điện không dây qua khoảng cách xa đến bất cứ nơi nào cần thiết—bao gồm cả những nơi hiện không có quyền truy cập vào nguồn điện đáng tin cậy.
Tàu vũ trụ Momentus Vigoride được mang trên một tên lửa SpaceX trong sứ mệnh Transporter-6 sẽ mang SSPD nặng 50 kg lên không gian. Nó bao gồm ba thử nghiệm chính, mỗi thử nghiệm được giao nhiệm vụ thử nghiệm một công nghệ chính khác nhau của dự án:
DOLCE (Thí nghiệm tổng hợp siêu nhẹ có thể triển khai trên quỹ đạo): Một cấu trúc có kích thước 6 feet x 6 feet thể hiện kiến trúc, sơ đồ đóng gói và cơ chế triển khai của tàu vũ trụ mô-đun mà cuối cùng sẽ tạo thành một chòm sao có quy mô hàng km tạo thành một nhà máy điện;
ALBA: Một tập hợp gồm 22 loại tế bào quang điện (PV) khác nhau, để cho phép đánh giá loại tế bào nào hiệu quả nhất trong môi trường khắc nghiệt của không gian;
MAPLE (Microwave Array for Power-transfer Low-orbit Experiment): Một dãy các máy phát năng lượng vi sóng trọng lượng nhẹ, linh hoạt với khả năng kiểm soát thời gian chính xác, tập trung năng lượng một cách có chọn lọc vào hai máy thu khác nhau để chứng minh khả năng truyền năng lượng không dây ở khoảng cách xa trong không gian.
Thành phần thứ tư bổ sung của SSPD là một hộp điện tử giao tiếp với máy tính Vigoride và điều khiển ba thí nghiệm.
SSPP bắt đầu hoạt động vào năm 2011 sau khi nhà từ thiện Donald Bren, chủ tịch của Công ty Irvine và là thành viên trọn đời của Hội đồng quản trị Caltech, đã biết về tiềm năng sản xuất năng lượng mặt trời trong không gian trong một bài báo trên tạp chí Khoa học phổ biến. Bị hấp dẫn bởi tiềm năng của năng lượng mặt trời trong không gian, Bren đã tiếp cận chủ tịch lúc bấy giờ của Caltech là Jean-Lou Chameau để thảo luận về việc tạo ra một dự án nghiên cứu năng lượng mặt trời trong không gian.
Vào năm 2013, Bren và vợ của ông, Brigitte Bren, một người được ủy thác của Caltech, đã đồng ý quyên góp để tài trợ cho dự án. Khoản quyên góp đầu tiên cho Caltech (vốn cuối cùng sẽ vượt quá 100 triệu đô la hỗ trợ cho dự án và các chức danh giáo sư được trao tặng) được thực hiện vào năm đó thông qua Quỹ Donald Bren, và nghiên cứu đã bắt đầu.
Bren nói: “Trong nhiều năm, tôi đã mơ về cách năng lượng mặt trời trong không gian có thể giải quyết một số thách thức cấp bách nhất của nhân loại. "Hôm nay, tôi rất vui mừng được hỗ trợ các nhà khoa học lỗi lạc của Caltech khi họ chạy đua để biến giấc mơ đó thành hiện thực."
Tên lửa sẽ mất khoảng 10 phút để đạt được độ cao mong muốn. Tàu vũ trụ Momentus sau đó sẽ được triển khai từ tên lửa vào quỹ đạo. Nhóm Caltech trên Trái đất có kế hoạch bắt đầu chạy thử nghiệm của họ trên SSPD trong vòng vài tuần sau khi ra mắt.
Một số yếu tố của bài kiểm tra sẽ được tiến hành nhanh chóng. Sergio Pellegrino, Joyce và Kent Kresa, Giáo sư Hàng không Vũ trụ và Giáo sư Kỹ thuật Xây dựng và đồng giám đốc của Caltech cho biết: "Chúng tôi dự định chỉ huy việc triển khai DOLCE trong vòng vài ngày sau khi nhận được quyền truy cập vào SSPD từ Momentus. Chúng tôi sẽ biết ngay nếu DOLCE hoạt động". của SSPP. Pellegrino cũng là một nhà khoa học nghiên cứu cấp cao tại JPL, công ty mà Caltech quản lý cho NASA.
Các yếu tố khác sẽ cần nhiều thời gian hơn. Bộ sưu tập quang điện sẽ cần tới sáu tháng thử nghiệm để đưa ra những hiểu biết mới về loại công nghệ quang điện nào sẽ là tốt nhất cho ứng dụng này. MAPLE liên quan đến một loạt các thử nghiệm, từ xác minh chức năng ban đầu đến đánh giá hiệu suất của hệ thống trong các môi trường khác nhau theo thời gian. Trong khi đó, hai máy ảnh trên cần trục có thể triển khai được gắn trên DOLCE và các máy ảnh bổ sung trên hộp điện tử sẽ theo dõi tiến trình của thử nghiệm và truyền phản hồi trở lại Trái đất. Nhóm SSPP hy vọng rằng họ sẽ có đánh giá đầy đủ về hiệu suất của SSPD trong vòng vài tháng sau khi ra mắt.
Vẫn còn nhiều thách thức: không có gì đảm bảo về việc tiến hành một thí nghiệm trong không gian—từ việc phóng đến triển khai tàu vũ trụ cho đến vận hành SSPD—được đảm bảo. Nhưng bất kể điều gì xảy ra, khả năng tạo ra một nguyên mẫu xứng đáng với không gian là một thành tựu quan trọng của nhóm SSPP.
"Không có vấn đề gì xảy ra, nguyên mẫu này là một
Ali Hajimiri, Giáo sư Kỹ thuật Điện và Kỹ thuật Y tế Bren của Caltech và đồng giám đốc của SSPP cho biết. "Nó hoạt động ở đây trên Trái đất và đã vượt qua các bước nghiêm ngặt cần thiết của bất kỳ thứ gì được phóng vào không gian. Vẫn còn nhiều rủi ro, nhưng trải qua cả quá trình đã cho chúng tôi những bài học quý giá. Chúng tôi tin rằng các thí nghiệm không gian sẽ cung cấp cho chúng tôi nhiều thông tin hữu ích bổ sung sẽ định hướng cho dự án khi chúng tôi tiếp tục phát triển."
Mặc dù pin mặt trời đã tồn tại trên Trái đất từ cuối những năm 1800 và hiện đang tạo ra khoảng 4% điện năng của thế giới (ngoài việc cung cấp năng lượng cho Trạm vũ trụ quốc tế), mọi thứ về sản xuất và truyền tải năng lượng mặt trời cần được xem xét lại để sử dụng trên quy mô lớn trong khoảng trống. Các tấm pin mặt trời cồng kềnh và nặng nề, khiến chúng trở nên đắt đỏ khi phóng và chúng cần hệ thống dây điện rộng rãi để truyền tải điện năng. Để vượt qua những thách thức này, nhóm SSPP đã phải hình dung và tạo ra các công nghệ, kiến trúc, vật liệu và cấu trúc mới cho một hệ thống có khả năng hiện thực hóa năng lượng mặt trời trong không gian, đồng thời đủ nhẹ để tiết kiệm chi phí cho việc triển khai số lượng lớn trong không gian, và đủ mạnh để chịu được môi trường không gian khắc nghiệt.
Tấm ăng-ten nguyên mẫu cho mảng máy phát điện thể hiện tính linh hoạt của thiết bị. Mỗi ô vuông màu cam trên ô màu vàng là một ăng-ten được điều khiển bởi một máy phát duy nhất. Ảnh: Lance Hayashida/Caltech
"DOLCE trình diễn một kiến trúc mới cho tàu vũ trụ chạy bằng năng lượng mặt trời và mảng ăng-ten theo từng giai đoạn. Nó khai thác thế hệ vật liệu composite siêu mỏng mới nhất để đạt được hiệu quả đóng gói và tính linh hoạt chưa từng có. Với những tiến bộ xa hơn mà chúng tôi đã bắt đầu nghiên cứu, chúng tôi dự đoán các ứng dụng sẽ một loạt các nhiệm vụ không gian trong tương lai," Pellegrino nói.
"Toàn bộ mảng MAPLE linh hoạt, cũng như các chip điện tử truyền năng lượng không dây cốt lõi và các thành phần truyền tải, đã được thiết kế từ đầu. Điều này không được tạo ra từ những vật phẩm bạn có thể mua bởi vì chúng thậm chí còn không tồn tại. Việc suy nghĩ lại cơ bản này về hệ thống từ đầu là điều cần thiết để hiện thực hóa các giải pháp có thể mở rộng cho SSPP," Hajimiri nói.
Toàn bộ ba nguyên mẫu trong SSPD đã được hình dung, thiết kế, xây dựng và thử nghiệm bởi một nhóm khoảng 35 cá nhân. Hajimiri nói: "Điều này đã được thực hiện với một nhóm nhỏ hơn và ít tài nguyên hơn đáng kể so với những gì có sẵn trong môi trường công nghiệp, thay vì học thuật. Nhóm cá nhân tài năng cao trong nhóm của chúng tôi đã giúp chúng tôi đạt được điều này".
Tuy nhiên, những cá nhân đó—một tập hợp gồm các sinh viên đã tốt nghiệp, tiến sĩ sau tiến sĩ và các nhà khoa học nghiên cứu—hiện đại diện cho công nghệ tiên tiến trong lĩnh vực năng lượng mặt trời không gian đang phát triển. "Chúng tôi đang tạo ra thế hệ kỹ sư không gian tiếp theo," nhà nghiên cứu SSPP Harry A. Atwater, Chủ tịch Lãnh đạo Gian hàng Otis của Caltech thuộc Khoa Kỹ thuật và Khoa học Ứng dụng và Giáo sư Vật lý Ứng dụng và Khoa học Vật liệu Howard Hughes, đồng thời là giám đốc của Liquid Sunlight Alliance, một viện nghiên cứu chuyên sử dụng ánh sáng mặt trời để tạo ra các sản phẩm lỏng có thể được sử dụng cho hóa chất công nghiệp, nhiên liệu và vật liệu hoặc sản phẩm xây dựng.
Thành công hay thất bại từ ba thử nghiệm sẽ được đo lường theo nhiều cách khác nhau. Thử nghiệm quan trọng nhất đối với DOLCE là cấu trúc triển khai hoàn toàn từ cấu hình gấp thành cấu hình mở. Đối với ALBA, một cuộc thử nghiệm thành công sẽ đưa ra đánh giá về tế bào quang điện nào hoạt động với hiệu suất và khả năng phục hồi tối đa. Mục tiêu của MAPLE là chứng minh khả năng truyền tải sức mạnh trong không gian tự do có chọn lọc đến các mục tiêu cụ thể khác nhau theo yêu cầu.
"Nhiều lần, chúng tôi đã nhờ các đồng nghiệp tại JPL và trong ngành vũ trụ Nam California tư vấn về quy trình thiết kế và thử nghiệm được sử dụng để phát triển các sứ mệnh thành công. Chúng tôi đã cố gắng giảm nguy cơ thất bại, mặc dù việc phát triển các công nghệ hoàn toàn mới là vốn dĩ là một quá trình rủi ro," Pellegrino nói.
Mục tiêu cuối cùng của SSPP là tạo ra nguồn cung cấp năng lượng sạch, có thể tái tạo, giá cả phải chăng trên toàn cầu. Bạn có thể tìm hiểu thêm về SSPP trên trang web của chương trình.
