Cơ quan Hàng không Vũ trụ Nhật Bản tiến hành dự án nhà máy năng lượng mặt trời trong không gian rồi chuyển năng lượng xuống mặt đất. Giai đoạn nghiên cứu thủ nghiệm từ 2021 đến 2030, giai đoạn khai thác thương mại vào 2031 đến 2040. Bạn có biết, năng lượng mặt trời thu từ không gian sẽ không bị rào cản 'ngày' và 'đêm', vì đã nằm trong không gian thì không bị ảnh hưởng che khuất do trái đất quay.
Cách Nhật Bản có kế hoạch xây dựng trang trại năng lượng mặt trời trên quỹ đạo
JAXA muốn biến ý tưởng khoa học viễn tưởng về năng lượng mặt trời trên không gian thành hiện thực
Here Comes the Sun: Các tấm gương trong quỹ đạo sẽ phản chiếu ánh sáng mặt trời lên các tấm pin mặt trời khổng lồ và năng lượng thu được sẽ được truyền xuống Trái đất.
Hãy tưởng tượng bạn nhìn ra Vịnh Tokyo từ trên cao và thấy một hòn đảo nhân tạo ở bến cảng, dài 3 km. Một mạng lưới khổng lồ được trải dài trên hòn đảo và được trang bị 5 tỷ ăng ten chỉnh lưu nhỏ, có thể chuyển đổi năng lượng vi sóng thành điện một chiều. Ngoài ra, trên đảo còn có một trạm biến áp truyền dòng điện đó qua cáp ngầm đến Tokyo, giúp giữ cho các nhà máy của khu công nghiệp Keihin luôn ồn ào và đèn neon của Shibuya sáng rực.
Nhưng bạn thậm chí không thể xem phần thú vị nhất. Một số bộ thu năng lượng mặt trời khổng lồ trong quỹ đạo không đồng bộ địa lý đang chiếu sóng vi ba xuống hòn đảo từ độ cao 36 000 km so với Trái đất.
Đây là chủ đề của nhiều nghiên cứu trước đây và là nội dung khoa học viễn tưởng trong nhiều thập kỷ, nhưng năng lượng mặt trời trên không gian cuối cùng có thể trở thành hiện thực — và trong vòng 25 năm, theo đề xuất từ các nhà nghiên cứu tại Cơ quan Thám hiểm Vũ trụ Nhật Bản (JAXA ). Cơ quan dẫn đầu thế giới về nghiên cứu các hệ thống năng lượng mặt trời trên không gian, hiện đã có một bản đồ công nghệ đề xuất một loạt các minh chứng về mặt đất và quỹ đạo dẫn đến sự phát triển của hệ thống thương mại 1 gigawatt vào những năm 2030 — tương tự sản lượng như một nhà máy điện hạt nhân điển hình.
Chắc chắn đó là một kế hoạch đầy tham vọng. Nhưng sự kết hợp của các yếu tố kỹ thuật và xã hội đang mang lại cho nó tiền tệ, đặc biệt là ở Nhật Bản. Về mặt kỹ thuật, những tiến bộ gần đây trong truyền tải điện không dây cho phép các ăng-ten di chuyển phối hợp với nhau để gửi một chùm tia chính xác qua những khoảng cách rộng lớn. Đồng thời, mối quan tâm ngày càng cao của công chúng về tác động khí hậu của khí nhà kính do đốt nhiên liệu hóa thạch đang thúc đẩy việc xem xét các giải pháp thay thế. Các công nghệ năng lượng tái tạo để thu hoạch mặt trời và gió không ngừng được cải tiến, nhưng các trang trại năng lượng mặt trời và gió quy mô lớn chiếm nhiều diện tích đất và chúng chỉ cung cấp năng lượng không liên tục. Mặt khác, các bộ thu năng lượng mặt trời trên không gian trong quỹ đạo không đồng bộ địa lý có thể tạo ra năng lượng gần 24 giờ một ngày. Nhật Bản có mối quan tâm đặc biệt trong việc tìm kiếm một nguồn năng lượng sạch thiết thực:tai nạn tại nhà máy điện hạt nhân Fukushima Daiichi đã thúc đẩy một cuộc tìm kiếm các giải pháp thay thế một cách toàn diện và có hệ thống, tuy nhiên Nhật Bản lại thiếu cả nguồn nhiên liệu hóa thạch và đất trống phù hợp cho việc lắp đặt điện tái tạo.
Ngay sau khi con người chúng ta phát minh ra tế bào quang điện dựa trên silicon để chuyển đổi ánh sáng mặt trời trực tiếp thành điện năng, hơn 60 năm trước, chúng ta nhận ra rằng không gian sẽ là nơi tốt nhất để thực hiện quá trình chuyển đổi đó. Khái niệm này lần đầu tiên được đề xuất chính thức vào năm 1968 bởi kỹ sư hàng không vũ trụ người Mỹ Peter Glaser . Trong một bài báo, ông thừa nhận những thách thức trong việc xây dựng, phóng và vận hành những vệ tinh này nhưng cho rằng quang điện được cải thiện và khả năng tiếp cận không gian dễ dàng hơn sẽ sớm khiến chúng có thể đạt được. Trong những năm 1970, NASA và Bộ Năng lượng Hoa Kỳ đã thực hiện các nghiên cứu nghiêm túc về năng lượng mặt trời trên không gian, và trong nhiều thập kỷ kể từ đó, nhiều loại vệ tinh năng lượng mặt trời (SPS) khác nhau đã được đề xuất. Chưa có vệ tinh nào như vậy được quay quanh quỹ đạo vì lo ngại về chi phí và tính khả thi về mặt kỹ thuật. Tuy nhiên, các công nghệ liên quan đã có những bước tiến lớn trong những năm gần đây. Đã đến lúc cần có một cái nhìn khác về năng lượng mặt trời dựa trên không gian.
Một SPS thương mại có khả năng tạo ra 1 GW sẽ là một cấu trúc tuyệt đẹp nặng hơn 10.000 tấn và có chiều ngang vài km. Để hoàn thành và vận hành một hệ thống điện dựa trên các vệ tinh như vậy, chúng ta sẽ phải chứng minh khả năng thông thạo sáu lĩnh vực khác nhau: truyền tải điện không dây, vận chuyển trong không gian, xây dựng các công trình lớn trên quỹ đạo, thái độ vệ tinh và điều khiển quỹ đạo, sản xuất điện và quản lý điện năng. Trong số sáu thách thức đó, truyền tải điện không dây vẫn là thách thức lớn nhất. Vì vậy, đó là nơi JAXA đã tập trung nghiên cứu của mình.
Ưu điểm và nhược điểm chính của phương pháp laser đều liên quan đến bước sóng ngắn của nó, khoảng 1 micromet cho ứng dụng này. Các bước sóng như vậy có thể được truyền và nhận bởi các thành phần tương đối nhỏ: Quang học truyền trong không gian sẽ đo khoảng 1 mét đối với lắp đặt 1-GW và trạm thu trên mặt đất sẽ dài vài trăm mét. Tuy nhiên, tia laser có bước sóng ngắn thường bị khí quyển chặn lại; các phân tử nước trong các đám mây sẽ hấp thụ hoặc tán xạ chùm tia laze, giống như ánh sáng mặt trời. Không ai muốn một hệ thống điện mặt trời trên không gian chỉ hoạt động khi bầu trời quang đãng.
Nhưng vi sóng — ví dụ, những sóng có bước sóng từ 5 đến 10 cm — sẽ không gặp vấn đề như vậy trong quá trình truyền. Lò vi sóng cũng có lợi thế về hiệu quả đối với hệ thống năng lượng mặt trời đặt trong không gian, trong đó điện năng phải được chuyển đổi hai lần: đầu tiên từ nguồn DC sang vi sóng trên vệ tinh, sau đó từ vi sóng sang nguồn DC trên mặt đất. Trong điều kiện phòng thí nghiệm, các nhà nghiên cứu đã đạt được khoảng 80% hiệu suất trong việc chuyển đổi điện năng ở cả hai đầu. Các công ty điện tử hiện đang phấn đấu để đạt được tỷ lệ như vậy trong các linh kiện có sẵn trên thị trường, chẳng hạn như trong bộ khuếch đại công suất dựa trên chất bán dẫn gali nitride , có thể được sử dụng trong máy phát vi sóng.
Để theo đuổi một thiết kế tối ưu cho vệ tinh, các nhà nghiên cứu của JAXA đang nghiên cứu hai khái niệm khác nhau. Trong trường hợp cơ bản hơn, một bảng hình vuông khổng lồ (có kích thước 2 km mỗi cạnh) sẽ được phủ các phần tử quang điện trên bề mặt trên và các ăng-ten truyền dẫn ở mặt dưới của nó. Bảng điều khiển này sẽ được treo bằng dây tether dài 10 km từ một chiếc xe buýt nhỏ, nơi chứa các hệ thống điều khiển và liên lạc của vệ tinh.
Sử dụng một kỹ thuật được gọi là ổn định gradient trọng lực , xe buýt sẽ hoạt động như một đối trọng với bảng điều khiển khổng lồ. Bảng điều khiển, sẽ gần Trái đất hơn, sẽ chịu nhiều lực hấp dẫn hơn về phía hành tinh và ít lực ly tâm hơn ra khỏi nó, trong khi xe buýt sẽ bị kéo lên trên do các tác động ngược lại. Sự cân bằng lực này sẽ giữ vệ tinh ở một quỹ đạo ổn định, vì vậy nó sẽ không cần bất kỳ hệ thống kiểm soát thái độ tích cực nào, tiết kiệm hàng triệu đô la chi phí nhiên liệu.
NGHIÊN CỨU CƠ BẢN GIAI ĐOẠN 2014–2020
2014: Trình diễn trên mặt đất
2017: Thử nghiệm vệ tinh 1 kW
GIAI ĐOẠN PHÁT TRIỂN 2021–2030
2021: Thử nghiệm vệ tinh 100 kW
2024: Thí nghiệm vệ tinh 2 MW
2028: Trạm điện trình diễn 200 MW
GIAI ĐOẠN THƯƠNG MẠI 2031–2040
2031: Trạm điện quy mô đầy đủ 1-GW
2037: Ngành công nghiệp năng lượng mặt trời dựa trên không gian thương mại (một lần khởi động mỗi năm).
Vấn đề với cấu hình SPS cơ bản này là tốc độ phát điện không ổn định của nó. Bởi vì hướng của bảng quang điện là cố định, lượng ánh sáng mặt trời chiếu vào nó thay đổi rất nhiều khi vệ tinh không đồng bộ địa lý và Trái đất quay.
Vì vậy, JAXA đã đưa ra một khái niệm SPS tiên tiến hơn để giải quyết vấn đề thu thập năng lượng mặt trời bằng cách sử dụng hai gương phản chiếu khổng lồ. Chúng sẽ được bố trí sao cho giữa hai tấm pin này, chúng sẽ chiếu ánh sáng vào hai tấm quang điện 24/24 giờ. Hai tấm gương sẽ bay tự do, không bị ràng buộc vào các tấm pin mặt trời hoặc bộ phận truyền dẫn riêng biệt, có nghĩa là chúng ta sẽ phải thành thạo một loại hình bay phức tạp để thực hiện hệ thống này. Các cơ quan vũ trụ có một số kinh nghiệm về bay theo đội hình, đáng chú ý nhất là trong các cuộc diễn tập cập bến được thực hiện tại Trạm vũ trụ quốc tế, nhưng điều phối một chuyến bay đội hình liên quan đến các cấu trúc quy mô hàng km là một bước tiến lớn so với quy trình cập cảng ngày nay.
Chúng tôi cũng sẽ phải thực hiện một số bước đột phá khác trước khi loại SPS tiên tiến này có thể được chế tạo. Chúng tôi cần vật liệu rất nhẹ cho cấu trúc gương để cho phép bay hình thành, cũng như cáp truyền tải điện cực cao có thể truyền nguồn điện từ các tấm pin mặt trời đến bộ phận truyền tải với tổn thất điện trở tối thiểu. Những công nghệ như vậy sẽ mất nhiều năm để phát triển, vì vậy nếu một hoặc nhiều quốc gia bắt tay vào một dự án dài hạn để khai thác năng lượng mặt trời trên không gian, họ có thể sử dụng một chương trình hai giai đoạn bắt đầu với mô hình cơ bản trong khi các nhà nghiên cứu làm việc trên các công nghệ điều đó sẽ cho phép các hệ thống thế hệ tiếp theo.
Để tạo ra vi sóng, các nhà nghiên cứu đã đề xuất các ống chân không như magnetron, klystron, hoặc ống sóng du lịch, vì hiệu suất chuyển đổi năng lượng của chúng khá cao - thường là 70% hoặc cao hơn - và chúng tương đối rẻ. Tuy nhiên, các bộ khuếch đại bán dẫn ngày càng tốt hơn; hiệu quả của chúng đang tăng lên và chi phí của chúng đang giảm xuống. Chi phí rất quan trọng ở đây vì một SPS thương mại 1-GW sẽ phải bao gồm ít nhất 100 triệu bộ khuếch đại bán dẫn 10 watt.
Để chọn một tần số vi sóng để truyền, chúng ta phải cân nhắc một số yếu tố. Vi sóng tần số thấp xuyên qua bầu khí quyển rất tốt, nhưng chúng cần các ăng-ten rất lớn, điều này sẽ làm cho việc xây dựng và bảo trì phức tạp hơn. Các tần số trong phạm vi từ 1 đến 10 gigahertz mang lại sự thỏa hiệp tốt nhất giữa kích thước ăng-ten và sự suy giảm trong khí quyển. Trong phạm vi này, 2,45 và 5,8 GHz là các ứng cử viên tiềm năng vì chúng nằm trong các băng tần dành riêng cho các ứng dụng công nghiệp, khoa học và y tế . Trong số này, 5,8 GHz có vẻ đặc biệt mong muốn vì các ăng-ten phát có thể nhỏ hơn.
Tất nhiên, tạo ra một chùm vi sóng mạnh là điều quan trọng, nhưng bước tiếp theo phức tạp hơn rất nhiều: nhắm chính xác chùm tia sao cho nó đi được quãng đường 36 000 km để chạm vào điểm ăng-ten chỉnh lưu.
Hãy xem xét rằng hệ thống truyền dẫn vi ba sẽ bao gồm một số bảng ăng-ten, mỗi bảng dài có lẽ là 5 mét, sẽ được bao phủ trong các ăng-ten nhỏ: Tổng cộng, hơn 1 tỷ ăng-ten có thể sẽ được lắp đặt trên một SPS. Điều phối vi sóng được tạo ra bởi một bầy ăng-ten khổng lồ này sẽ không dễ dàng. Để tạo ra một chùm tia hội tụ chính xác, duy nhất, các pha của vi sóng được gửi từ tất cả các bảng ăng-ten phải được đồng bộ hóa. Điều đó sẽ khó quản lý, vì các tấm này sẽ di chuyển tương đối với nhau.
Thách thức định hướng chính xác chùm tia từ một nguồn chuyển động này là duy nhất và chưa được giải quyết bằng các công nghệ truyền thông hiện có. Chùm tia phải có rất ít phân kỳ để ngăn nó lan ra trên một diện tích quá lớn. Để gửi công suất ở tần số 5,8 GHz tới ăng ten chỉnh lưu, hoặc trực tràng , có đường kính 3 km, sự phân kỳ phải được giới hạn ở 100 microradian và chùm tia phải có độ chính xác hướng là 10 µrad.
Giải pháp của JAXA liên quan đến một tín hiệu thí điểm sẽ được gửi từ trực tràng trên mặt đất. Khi mỗi bảng ăng-ten riêng lẻ trên vệ tinh nhận được tín hiệu thí điểm, nó sẽ tính toán các pha cần thiết cho vi sóng của nó và điều chỉnh cho phù hợp. Tổng của tất cả những điều chỉnh này là một chùm tia chặt chẽ sẽ đi xuyên qua bầu khí quyển để chạm vào trực tràng. Các công nghệ điều chỉnh pha như vậy, được gọi là hệ thống phản xạ lại, đã được sử dụng trong các mảng ăng ten quy mô nhỏ trong không gian, nhưng sẽ cần thêm công việc trước khi chúng có thể điều phối các máy phát quỹ đạo vài km.
Khi chùm tia tới nơi nhận, phần còn lại của quá trình sẽ tương đối dễ dàng. Các dãy trực tràng sẽ chuyển đổi điện vi sóng thành điện một chiều với hiệu suất lớn hơn 80 phần trăm. Sau đó, nguồn điện một chiều sẽ được chuyển đổi thành điện xoay chiều và đưa vào lưới điện.
Khi người dân nghe những trang trại năng lượng mặt trời trên quỹ đạo này được mô tả, họ thường hỏi liệu có an toàn khi gửi một chùm vi sóng mạnh xuống Trái đất hay không. Nó sẽ không nấu bất cứ thứ gì trên đường đi của nó, như thức ăn trong lò vi sóng? Một số người có một hình ảnh kinh hoàng về những con mòng biển nướng từ trên trời rơi xuống. Trên thực tế, chùm tia thậm chí không đủ cường độ để làm nóng cà phê của bạn. Ở trung tâm của chùm tia trong hệ thống SPS thương mại, mật độ công suất sẽ là 1 kilowatt trên mét vuông, tương đương với cường độ ánh sáng mặt trời. Như giới hạn quy địnhđể con người tiếp xúc lâu dài với lò vi sóng thường được đặt ở 10 watt trên mét vuông, tuy nhiên, địa điểm trực tràng sẽ phải là một khu vực hạn chế và nhân viên bảo trì khi vào khu vực đó sẽ phải thực hiện các biện pháp phòng ngừa đơn giản, chẳng hạn như mặc quần áo bảo hộ. Nhưng vùng đất bên ngoài địa điểm trực tràng sẽ hoàn toàn an toàn. Ở khoảng cách 2 km từ tâm của nó, mật độ công suất của chùm tia sẽ giảm xuống dưới ngưỡng quy định.
Vào năm 2008, trên một đỉnh núi trên đảo chính của Hawaii, một trực thăng đã nhận được một chùm vi sóng được gửi từ sườn của một ngọn núi lửa trên đảo Maui, cách đó khoảng 150 km. Dự án trình diễn đó, do cựu nhà vật lý NASA John Mankins dẫn đầuvà được ghi hình cho một chương trình trên Discovery Channel, rất khiêm tốn trong tham vọng của mình: Chỉ có 20 W công suất được tạo ra bởi các tấm pin mặt trời trên Maui và chiếu khắp đại dương. Thiết lập này không lý tưởng lắm vì các pha của vi sóng bị xáo trộn trong quá trình truyền theo phương ngang qua bầu khí quyển dày đặc. Hầu hết nguồn điện đã bị mất trong quá trình truyền tải, và ít hơn một microwatt nhận được trên Big Island. Nhưng thí nghiệm đã chứng minh nguyên tắc chung cho công chúng ngưỡng mộ. Và cần nhớ rằng trong một hệ thống đặt trong không gian, các vi sóng sẽ chỉ đi qua bầu khí quyển dày đặc trong vài km cuối cùng của cuộc hành trình của chúng.
Tại Nhật Bản, chúng tôi đang lên kế hoạch cho một loạt các cuộc biểu tình trong vài năm tới. Vào cuối năm nay, các nhà nghiên cứu dự kiến sẽ thực hiện một thí nghiệm trên mặt đất, trong đó một chùm tia có công suất hàng trăm watt sẽ được truyền đi trên khoảng 50 mét. Dự án này do JAXA và Japan Space Systems tài trợ, sẽ là cuộc trình diễn đầu tiên trên thế giới về truyền dẫn vi sóng tầm xa và công suất cao với sự bổ sung quan trọng của điều khiển chùm tia phản xạ lại. Máy phát vi sóng bao gồm bốn bảng riêng lẻ có thể di chuyển tương quan với nhau để mô phỏng chuyển động của ăng-ten trên quỹ đạo. Mỗi bảng điều khiển, có kích thước 0,6 mét x 0,6 mét, chứa hàng trăm ăng ten phát và ăng ten thu cực nhỏ để phát hiện tín hiệu thí điểm, cũng như bộ điều khiển pha và hệ thống quản lý điện năng. Mỗi bảng sẽ truyền 400 W, do đó tổng chùm tia sẽ mang 1,6 kW; trong thử nghiệm ở giai đoạn đầu này, chúng tôi mong đợi trực tràng có công suất đầu ra là 350 W.
Trong không gian, năng lượng mặt trời có sẵn nhiều gấp 10 lần trên Trái đất: Không có sự giảm hiệu suất do chu kỳ ngày đêm, biến đổi theo mùa hoặc điều kiện thời tiết.
Tiếp theo, các nhà nghiên cứu của JAXA hy vọng sẽ tiến hành thí nghiệm truyền năng lượng vi sóng đầu tiên trong không gian, gửi vài kilowatt từ quỹ đạo Trái đất thấp xuống mặt đất. Bước này, được đề xuất cho năm 2018, sẽ kiểm tra phần cứng: Chúng tôi hy vọng sẽ chứng minh khả năng kiểm soát chùm tia vi ba, đánh giá hiệu quả tổng thể của hệ thống và xác minh rằng chùm tia vi ba không can thiệp vào cơ sở hạ tầng truyền thông hiện có. Chúng tôi cũng có một số khoa học không gian để tiến hành. Chúng tôi muốn chắc chắn rằng chùm tia vi ba cường độ cao không bị plasma của tầng điện ly , tầng trên của khí quyển, có chứa các hạt mang điện , làm biến dạng hoặc hấp thụ . Chúng tôi khá chắc chắn rằng chùm tia sẽ không tương tác với plasma này, nhưng giả thuyết của chúng tôi chỉ có thể được xác nhận trong môi trường không gian.
Nếu mọi thứ suôn sẻ với những cuộc trình diễn trên mặt đất và không gian ban đầu này, mọi thứ sẽ thực sự bắt đầu trở nên thú vị. Bản đồ lộ trình công nghệ của JAXA kêu gọi công việc bắt đầu với trình diễn SPS 100 kW vào khoảng năm 2020. Các kỹ sư sẽ xác minh tất cả các công nghệ cơ bản cần thiết cho một hệ thống năng lượng mặt trời thương mại trên không gian trong giai đoạn này.
Việc xây dựng và quay quanh một nhà máy 2 megawatt và sau đó là một nhà máy 200 MW, các bước có khả năng tiếp theo sẽ đòi hỏi một liên minh quốc tế, giống như những tổ chức tài trợ cho các thí nghiệm vật lý hạt khổng lồ trên thế giới. Theo kịch bản như vậy, một tổ chức toàn cầu có thể bắt đầu xây dựng SPS thương mại 1-GW vào những năm 2030.
Nó sẽ khó khăn và tốn kém, nhưng lợi nhuận sẽ là rất lớn, và không chỉ về mặt kinh tế. Trong suốt lịch sử loài người, sự ra đời của mỗi nguồn năng lượng mới — bắt đầu từ củi, và chuyển sang than, dầu, khí đốt và điện hạt nhân — đã tạo ra một cuộc cách mạng trong cách sống của chúng ta. Nếu nhân loại thực sự đón nhận năng lượng mặt trời trên không gian, một vòng vệ tinh trên quỹ đạo có thể cung cấp năng lượng gần như không giới hạn, chấm dứt những xung đột lớn nhất về nguồn năng lượng của Trái đất. Khi chúng ta đặt nhiều máy móc của cuộc sống hàng ngày hơn vào không gian, chúng ta sẽ bắt đầu tạo ra một nền văn minh thịnh vượng và hòa bình bên ngoài bề mặt Trái đất.
Bài báo này ban đầu xuất hiện trên báo in với tên "Trời Luôn Có Nắng Trong Không Gian."
Thông tin về các Tác giả
Sasaki, một giáo sư danh dự tại Cơ quan Thám hiểm Hàng không Vũ trụ Nhật Bản, đã dành phần lớn thời gian trong sự nghiệp JAXA trong 41 năm của mình để nghiên cứu các hệ thống năng lượng mặt trời trên không gian. Theo ông, kịch bản tốt nhất cho công nghệ này là một “sự thay đổi mô hình” toàn cầu, trong đó các quốc gia ngừng cạnh tranh về các nguồn năng lượng trên mặt đất, và thay vào đó hợp tác với nhau để xây dựng các trạm phát điện quỹ đạo lớn truyền năng lượng sạch xuống Trái đất. Anh ấy vẫn lạc quan.
