SOLARIS: Liên doanh táo bạo của ESA vào các nhà máy điện mặt trời trong không gian
Năng lượng mặt trời được tập trung ở rất xa trong không gian, được thấy ở đây được truyền không dây xuống Trái đất đến bất cứ nơi nào cần đến. ESA có kế hoạch điều tra các công nghệ chính cần thiết để biến Năng lượng mặt trời dựa trên không gian thành hiện thực thông qua sáng kiến SOLARIS của mình. Ảnh: Airbus
ESA đã ký hợp đồng cho hai nghiên cứu khái niệm song song cho các nhà máy năng lượng mặt trời dựa trên không gian quy mô thương mại, thể hiện một bước quan trọng trong sáng kiến SOLARIS mới của Cơ quan – hoàn thiện tính khả thi của việc thu thập năng lượng mặt trời từ không gian cho nhu cầu năng lượng sạch trên mặt đất.
Do được hoàn thành trước cuối năm 2023, các hợp đồng song song lần lượt do Arthur D Little và Thales Alenia Space Italy phụ trách. Những khái niệm này sẽ đóng vai trò là tài liệu tham khảo cập nhật cho nỗ lực tổng thể của SOLARIS, hướng dẫn phạm vi của các hoạt động R&D cụ thể sẽ tuân theo.
Năng lượng mặt trời dựa trên không gian liên quan đến việc thu hoạch ánh sáng mặt trời từ quỹ đạo Trái đất và sau đó chiếu nó xuống bề mặt nơi cần thiết. Ảnh: ESA – A. Treuer
Ý tưởng đằng sau Năng lượng mặt trời dựa trên không gian là thu thập năng lượng mặt trời ở nơi có sẵn liên tục và với nguồn cung dồi dào, trên quỹ đạo Trái đất, không bị ảnh hưởng bởi thời tiết địa phương hoặc bóng tối, sau đó gửi không dây xuống Trái đất ở nơi cần thiết. Khái niệm này bổ sung thay vì cạnh tranh với năng lượng tái tạo trên mặt đất, bởi vì Năng lượng mặt trời dựa trên không gian có thể cung cấp năng lượng một cách đáng tin cậy trên cơ sở liên tục 24/7, mang lại sự ổn định rất cần thiết cho lưới điện khi tỷ lệ năng lượng tái tạo không liên tục tiếp tục tăng, giảm sự phụ thuộc trên các giải pháp lưu trữ quy mô lớn.
SOLARIS đã được phê duyệt tại Hội đồng ESA ở cấp Bộ trưởng vào tháng 11 năm 2022 như một phần của Yếu tố 1 của Chương trình Công nghệ Hỗ trợ Chung hiện có. Làm việc với ngành công nghiệp châu Âu, mục tiêu của nó trong hai năm rưỡi tới là thực hiện các nghiên cứu và phát triển công nghệ để đánh giá lợi ích, các lựa chọn triển khai, cơ hội thương mại và rủi ro của Năng lượng mặt trời dựa trên không gian với tư cách là người đóng góp cho quá trình khử cacbon 'NetZero' của năng lượng mặt đất cho Châu Âu.
Một hình ảnh khái niệm về một người biểu diễn trong quỹ đạo tương lai cho năng lượng mặt trời dựa trên không gian. Ánh sáng mặt trời trên quỹ đạo Trái đất mạnh gấp mười lần so với trên bề mặt Trái đất, vì vậy ý tưởng là bay các vệ tinh chuyên dụng để thu năng lượng mặt trời, sau đó chiếu nó xuống Trái đất – và có khả năng là Mặt trăng hoặc các hành tinh khác trong tương lai.
Một dự án ESA Discovery mới đang xem xét một phần quan trọng của quy trình năng lượng mặt trời trên không gian: làm thế nào để chuyển đổi một lượng lớn năng lượng mặt trời thành dạng hữu ích, sau đó vận chuyển nó xuống mặt đất một cách hiệu quả nhất có thể?
Khái niệm cơ bản có từ hơn một thế kỷ trước Konstantin Tsiolkovsky, một trong những nhà tiên tri ban đầu về du hành vũ trụ, sau đó được phát triển chi tiết bởi kỹ sư người Séc Peter Glaser từ những năm 1970 trở đi.
Tín dụng: ESA
Kết quả từ SOLARIS sẽ cho phép Châu Âu đưa ra quyết định sáng suốt vào cuối năm 2025, về việc tiến hành một chương trình phát triển đầy đủ cho Năng lượng mặt trời dựa trên không gian ở quy mô thương mại, bắt đầu bằng một thiết bị trình diễn trong quỹ đạo quy mô nhỏ để truyền năng lượng từ không gian đến Trái đất.
Sanjay Vijendran, lãnh đạo của ESA cho SOLARIS cho biết: “Các hợp đồng này dành cho các nghiên cứu ý tưởng đầu tiên của châu Âu về Năng lượng mặt trời dựa trên không gian trong hơn 20 năm, vì vậy ngày hôm nay đánh dấu một bước quan trọng”. “Chúng tôi đang thực sự bắt đầu từ một tờ giấy trắng để có được một thiết kế cập nhật cho các vệ tinh năng lượng mặt trời đang hoạt động trông như thế nào, tìm nguồn ý tưởng đầy hứa hẹn từ mọi nơi chúng tôi có thể và tận dụng những tiến bộ mới nhất trong công nghệ không gian và mặt đất.”
Năng lượng mặt trời trong không gian là một nguồn năng lượng sạch, giá cả phải chăng, liên tục, phong phú và an toàn tiềm năng. Khái niệm cơ bản này đã trở nên cấp bách hơn do nhu cầu về các nguồn năng lượng sạch và an toàn mới để hỗ trợ quá trình chuyển đổi của Châu Âu sang một thế giới Net Zero carbon vào năm 2050. Nếu Châu Âu muốn hưởng lợi từ khả năng thay đổi cuộc chơi này thì chúng ta cần bắt đầu đầu tư ngay bây giờ . Ảnh: ESA – Cơ quan Vũ trụ Châu Âu
Sanjay giải thích: “Các nghiên cứu sẽ xem xét nhiều lựa chọn nhất có thể, bao gồm cả việc điều tra tất cả các cách khác nhau để di chuyển năng lượng, một cách an toàn và hiệu quả. xuống Trái đất một cách hiệu quả: truyền tần số vô tuyến, laser và đơn giản là phản xạ ánh sáng mặt trời xuống các trang trại năng lượng mặt trời trên mặt đất.
“Và chúng tôi rất vui vì chúng tôi có những công ty năng lượng lớn như công ty điện lực ENGIE của Pháp và công ty điện lực ENEL của Ý, được bao gồm với tư cách là thành viên của các tập đoàn nghiên cứu, phản ánh giá trị tiềm năng mà ngành năng lượng đã nhìn thấy ở khả năng này trong tương lai. Điều quan trọng là chúng tôi phải tham gia vào lĩnh vực năng lượng ngay từ khi bắt đầu quá trình phát triển này và lắng nghe nhu cầu của họ, để chúng tôi biết ngay từ đầu rằng chúng tôi đang xây dựng thứ gì đó mà người dùng cuối sẽ muốn và sử dụng.”
Một thiết kế vệ tinh năng lượng mặt trời trước đây. Ảnh: Khái niệm Tháp SPS Châu Âu
Khác thường đối với các nghiên cứu khái niệm hệ thống ở giai đoạn đầu, những nghiên cứu này đang được ESA triển khai như thể chúng là các dự án bay, với tốc độ nhanh và các mốc quan trọng nghiêm ngặt, bởi vì kết quả của chúng cũng sẽ quyết định các nghiên cứu tiếp theo được lên kế hoạch cho sứ mệnh trình diễn ở quy mô phụ. như các dự án nghiên cứu về các công nghệ chính cụ thể mà SOLARIS sẽ hỗ trợ.
Hai nghiên cứu được tài trợ bởi yếu tố Chuẩn bị của ESA, một phần của Hoạt động Cơ bản của Cơ quan, hỗ trợ các ý tưởng mới trong các nhiệm vụ và công nghệ không gian. Ngoài ra, tài trợ của SOLARIS cho các dự án R&D công nghệ sẽ được cung cấp thông qua Chương trình Công nghệ Hỗ trợ Chung dài hạn của ESA.
Năng lượng mặt trời dựa trên không gian liên quan đến việc biến năng lượng mặt trời thành điện năng thông qua các tế bào quang điện trong quỹ đạo địa tĩnh quanh Trái đất. Sau đó, năng lượng được truyền không dây dưới dạng vi sóng ở tần số 2,45 GHz đến các trạm thu chuyên dụng trên Trái đất, được gọi là 'rectennas', chuyển đổi năng lượng trở lại thành điện năng và đưa vào lưới điện địa phương. Ảnh: ESA
Leopold Summerer, người đứng đầu Văn phòng nghiên cứu và khái niệm nâng cao của ESA cho biết: “Những hoạt động này thể hiện tầm quan trọng của yếu tố Chuẩn bị của ESA trong việc hỗ trợ các ý tưởng đầy tham vọng trở thành hiện thực. “Các hoạt động được tài trợ chuẩn bị giúp ESA đánh giá sự quan tâm từ ngành công nghiệp châu Âu đối với các chủ đề mới và đặt nền móng cho nghiên cứu và phát triển công nghệ trong tương lai để biến chúng thành hiện thực.”
SOLARIS đang diễn ra vào thời điểm toàn cầu ngày càng quan tâm đến năng lượng từ không gian. Tại Hoa Kỳ, vệ tinh trình diễn năng lượng mặt trời không gian của Caltech đã được phóng lên quỹ đạo vào tháng 1 để thử nghiệm các công nghệ chính bao gồm truyền năng lượng mặt trời vi sóng không gian. Nhật Bản có kế hoạch thực hiện một nhiệm vụ trình diễn vào năm 2025, trong khi Trung Quốc có kế hoạch trình diễn riêng vào năm 2028, với một cơ sở thử nghiệm truyền tải điện không dây trên mặt đất đã sẵn sàng. Trong khi đó, chính phủ Vương quốc Anh đã thảo luận với Ả Rập Saudi để cung cấp cho khu vực thành phố thông minh Neom của họ nguồn điện không có carbon từ không gian.
Chuẩn bị phóng vệ tinh Trình diễn Năng lượng Mặt trời Không gian của Caltech, được đưa lên quỹ đạo vào ngày 3 tháng 1 năm 2023. Các nhân viên nhìn thấy ở đây đang hạ tấm pin mặt trời có thể triển khai và cấu trúc máy phát điện trên thân chính của vệ tinh. Nguồn: Dự án năng lượng mặt trời Caltech/Space
Sanjay cho biết thêm: “Có rất nhiều lý do cơ bản khiến Năng lượng mặt trời dựa trên không gian có vẻ khả thi và đáng mong đợi hơn bao giờ hết. “Những điều này bao gồm giảm chi phí phóng lên quỹ đạo với sự ra đời của các bệ phóng có thể tái sử dụng, giảm chi phí phần cứng vệ tinh thông qua sản xuất hàng loạt – được thấy với các chòm sao mới như Starlink và OneWeb – và xu hướng thiết kế vệ tinh năng lượng mặt trời theo mô-đun.
“Ngoài ra, người máy không gian cũng như các công nghệ lắp ráp và bảo dưỡng trong không gian đã thực sự đi một chặng đường dài trong hai thập kỷ qua, điều này sẽ rất cần thiết cho việc xây dựng và bảo trì các nhà máy năng lượng mặt trời. Cuối cùng, thách thức tuyệt đối của việc chuyển đổi sang Net Zero trong vòng 25 năm tới với các công nghệ hiện có – và hậu quả của việc không làm như vậy – đòi hỏi phải khám phá các giải pháp thay thế có thể giúp đảm bảo chúng tôi đạt được mục tiêu của mình.”
