Thí nghiệm năng lượng mặt trời đột phá của Nhật Bản: Năng lượng mặt trời từ không gian

Tìm hiểu về chương trình OHISAMA, một dự án được thiết kế để thử nghiệm khả năng khai thác năng lượng mặt trời từ không gian. Liệu nó có thể giúp tạo ra nguồn năng lượng cơ sở sạch (clean baseload energy)?

Tác giả: Ming Cheng – Quản lý Thành công Khách hàng, Kỹ sư Hạt nhân với 6 năm kinh nghiệm trong ngành năng lượng mặt trời.

Chương trình OHISAMA là gì?

Chương trình OHISAMA nhằm kiểm tra xem việc khai thác năng lượng mặt trời từ không gian có khả thi về mặt kỹ thuật hay không. Kế hoạch là phóng một vệ tinh nặng 180 kg, được trang bị tấm pin mặt trời, vào quỹ đạo cách Trái Đất 400 km, nơi vệ tinh sẽ luôn nhận ánh sáng mặt trời và chuyển đổi thành điện năng.

Thay vì truyền điện trực tiếp xuống Trái Đất (gặp khó khăn do khoảng cách xa), vệ tinh sẽ chuyển điện thành sóng vi ba và truyền xuống trạm mặt đất cách 40 km. Trạm mặt đất sẽ chuyển đổi sóng vi ba trở lại thành điện năng sử dụng được.

Mặc dù công suất chỉ khoảng 1 kW/giờ (đủ để chạy một chu trình máy rửa bát tiêu chuẩn), thử nghiệm này rất quan trọng để kiểm tra tính khả thi của hệ thống năng lượng mặt trời từ không gian. Hệ thống có thể truyền năng lượng tới Trái Đất chỉ trong 5 phút nhưng có thể cần vài ngày để sạc lại.

Các nhà nghiên cứu OHISAMA đã thử nghiệm thành công truyền năng lượng mặt trời không dây trên mặt đất và hiện đang tiến tới thử nghiệm trên máy bay. Các thử nghiệm này sử dụng tấm pin giống vệ tinh và truyền năng lượng không dây khoảng 5–7 km, mô phỏng việc truyền năng lượng từ không gian xuống mặt đất.

Trong tương lai gần, nhóm OHISAMA dự định phóng một bản sao mini của trạm năng lượng mặt trời trên máy bay để chứng minh truyền năng lượng không dây. Thử nghiệm trên máy bay này sẽ xác nhận hệ thống tích hợp sẵn sàng cho triển khai ngoài không gian.

Khái niệm năng lượng mặt trời từ không gian (SBSP) xuất hiện từ cuối những năm 1960, nhưng các thách thức về kỹ thuật và chi phí trước đây khiến nó khó khả thi. Nỗ lực của OHISAMA sẽ là minh chứng quan trọng về khả năng thực hiện và cung cấp dữ liệu cho phát triển sau này.

Tại sao năng lượng mặt trời từ không gian đáng để khám phá?

Hiện nay, năng lượng mặt trời cung cấp khoảng 7% điện toàn cầu, nhưng tính gián đoạn (ban đêm, thời tiết) hạn chế việc áp dụng rộng rãi. Một nhà máy năng lượng mặt trời quỹ đạo thấp có thể loại bỏ các hạn chế này, cung cấp năng lượng liên tục và bền vững.

Khả thi hơn bạn nghĩ

Các nghiên cứu của NASA từ thập niên 1970 đã chứng minh năng lượng mặt trời có thể chuyển thành điện, sau đó thành sóng vi ba và truyền dưới dạng năng lượng beam. Kỹ sư hiện có thể tập trung vào mở rộng quy mô và cải thiện độ trưởng thành công nghệ.

Hiệu quả vượt trội so với sản xuất trên mặt đất

Một nhà máy năng lượng mặt trời quỹ đạo có thể tạo ra 13 lần năng lượng so với một nhà máy tương đương trên mặt đất. Với hiệu suất cao và năng suất lớn, chi phí xây dựng có thể hoàn vốn nhanh hơn các công nghệ tái tạo trên Trái Đất.

Cung cấp điện liên tục, sạch

Các trạm SBSP có thể sản xuất năng lượng tương đương các nhà máy hạt nhân, vượt trội các nguồn tái tạo khác. Vì hoạt động ngoài khí quyển và không chịu chu kỳ ngày-đêm, chúng cung cấp năng lượng ổn định và đáng tin cậy, giảm nguy cơ mất điện hoặc tăng đột biến.

Truyền năng lượng không dây

Năng lượng mặt trời quỹ đạo có thể truyền năng lượng không dây qua bất kỳ khoảng cách nào mà không cần cơ sở hạ tầng truyền thống như đường dây điện. Điều này giúp mở rộng tiếp cận năng lượng cho khu vực thiếu thốn và thúc đẩy công bằng năng lượng.

Khả năng truyền không dây này còn có thể áp dụng cho Mặt Trăng hoặc các hành tinh khác, hỗ trợ thám hiểm không gian sâu.

Ít ảnh hưởng tới mặt đất

Các trạm thu SBSP có thể được thiết kế ít xâm lấn hơn so với các trang trại năng lượng mặt trời hoặc gió trên mặt đất. Ngay cả các rectenna lớn (trạm nhận năng lượng từ không gian) cũng có thể được thiết kế dạng lưới mỏng nâng lên khỏi mặt đất, giảm ảnh hưởng thị giác và bảo vệ đất phía dưới cho mục đích khác như nông nghiệp.

Giảm khí thải ngành hàng không

Khi công nghệ SBSP trưởng thành, năng lượng có thể được truyền trực tiếp đến máy bay, hỗ trợ cất cánh và sạc pin trong khi bay, giúp giảm phụ thuộc nhiên liệu hóa thạch và khí nhà kính từ ngành hàng không.

Tác động tiềm năng của năng lượng mặt trời không gian với tương lai năng lượng tái tạo

Từng được xem là khoa học viễn tưởng, năng lượng từ không gian giờ khả thi hơn nhờ tiến bộ công nghệ như tàu vũ trụ Starship của SpaceX, giúp giảm chi phí và đơn giản hóa việc triển khai hạ tầng vào quỹ đạo.

Năm 2023, một vệ tinh do Caltech xây dựng đã lần đầu truyền năng lượng mặt trời từ không gian, chứng minh khả năng cho các hệ thống quy mô lớn trong tương lai. Nhiều dự án thử nghiệm khác cũng đang triển khai. Các cơ quan nghiên cứu toàn cầu (bao gồm Không quân Mỹ, DARPA, ESA) đều theo đuổi công nghệ này.

Tuy nhiên, mặc dù hứa hẹn, việc triển khai SBSP không hề đơn giản.

• Báo cáo NASA tháng 1/2024 nhận định chi phí sản xuất năng lượng quỹ đạo là 61 cent/kWh, vượt xa 5 cent/kWh của năng lượng mặt trời hoặc gió trên Trái Đất.

• Báo cáo cũng chỉ ra lượng khí nhà kính lớn từ việc phóng các module vào quỹ đạo. Ví dụ, một nhà máy SBSP gigawatt như CASSIOPeiA cần 68 lần phóng Starship, làm giảm lợi ích môi trường so với công nghệ trên mặt đất.

Tuy nhiên, vẫn có lý do để lạc quan. Tiến bộ trong tấm pin mặt trời, bộ chuyển đổi năng lượng, và hệ thống truyền tải có thể nâng cao khả thi của SBSP theo thời gian.

• Tấm pin triển khai và bơm hơi có thể gói gọn khi phóng và mở rộng trong không gian để dễ vận chuyển.

• Điện tử công suất mini hóa giúp giảm khối lượng tổng thể, giảm chi phí phóng.

• Công nghệ định hướng chùm tia tiên tiến đảm bảo năng lượng mặt trời truyền chính xác tới anten nhận, giảm thất thoát và rủi ro.

Tất cả những tiến bộ này giúp SBSP khả thi hơn về mặt kỹ thuật, đồng thời giải quyết các mối quan tâm kinh tế và môi trường trong tương lai.