Thu năng lượng sạch từ không gian

Thu năng lượng sạch từ không gian

    Thu năng lượng sạch từ không gian
    bởi Jennifer Torres, Viện Công nghệ California

    Beaming clean energy from space
    Ảnh: Viện Công nghệ California
    Từng được coi là khoa học viễn tưởng, công nghệ có khả năng thu năng lượng mặt trời trong không gian và truyền nó tới Trái đất để cung cấp nguồn năng lượng sạch và giá cả phải chăng trên toàn cầu đang tiến gần hơn đến thực tế. Thông qua Dự án điện mặt trời dựa trên không gian (SSPP), một nhóm các nhà nghiên cứu của Caltech đang làm việc để triển khai một chòm sao tàu vũ trụ mô-đun thu thập ánh sáng mặt trời, biến nó thành điện năng, sau đó truyền tải không dây điện đó đến bất cứ nơi nào cần thiết - bao gồm cả những nơi hiện đang không có quyền truy cập vào nguồn điện đáng tin cậy.

    Harry Atwater, một nhà nghiên cứu SSPP và là Chủ tịch Lãnh đạo Otis Booth của Bộ phận Kỹ thuật và Khoa học Ứng dụng của Caltech cho biết: “Đây là một dự án phi thường và chưa từng có tiền lệ. "Nó thể hiện sự táo bạo và tham vọng cần thiết để giải quyết một trong những thách thức quan trọng nhất của thời đại chúng ta, cung cấp năng lượng sạch và giá cả phải chăng cho thế giới."

    Dự án được dẫn dắt bởi Atwater, đồng thời là Giáo sư Vật lý Ứng dụng và Khoa học Vật liệu Howard Hughes, và hai nhà nghiên cứu khác: Ali Hajimiri, Bren Giáo sư Kỹ thuật Điện và đồng giám đốc SSPP; và Sergio Pellegrino, Joyce và Kent Kresa Giáo sư về Kỹ thuật Hàng không và Dân dụng, đồng giám đốc SSPP, và một nhà khoa học nghiên cứu cấp cao tại Phòng thí nghiệm Sức đẩy Phản lực (JPL).

    Khai thác năng lượng mặt trời trong không gian dựa trên những tiến bộ đột phá trong ba lĩnh vực chính:

    Nhóm nghiên cứu của Atwater đang thiết kế vật liệu quang điện hiệu suất cao siêu nhẹ (vật liệu chuyển đổi ánh sáng thành điện năng) được tối ưu hóa cho điều kiện không gian và tương thích với hệ thống chuyển đổi và truyền tải điện mô-đun tích hợp.
    Nhóm nghiên cứu của Hajimiri đang phát triển công nghệ giá rẻ và trọng lượng nhẹ cần thiết để chuyển đổi nguồn điện một chiều thành điện tần số vô tuyến (ví dụ, được sử dụng để truyền tín hiệu điện thoại di động) và gửi nó đến Trái đất dưới dạng vi sóng. Quá trình này diễn ra an toàn, Hajimiri giải thích. Bức xạ không ion hóa trên bề mặt ít có hại hơn đáng kể so với việc đứng dưới ánh nắng mặt trời. Ngoài ra, hệ thống có thể nhanh chóng bị tắt trong trường hợp hư hỏng hoặc trục trặc.
    Nhóm của Pellegrino đang phát minh ra cấu trúc không gian có thể gập lại, siêu mỏng và siêu nhẹ để hỗ trợ quang điện cũng như các thành phần cần thiết để chuyển đổi, truyền và điều khiển công suất tần số vô tuyến đến nơi cần thiết.
    Đơn vị cơ bản của hệ thống mà các nhà nghiên cứu hình dung là một viên gạch 4 inch x 4 inch nặng chưa đến 1/10 ounce. Hàng trăm nghìn viên gạch này sẽ kết hợp với nhau thành một hệ thống các vệ tinh giống như tấm thảm bay, một khi được mở ra, sẽ tạo ra một bề mặt thu thập ánh sáng mặt trời có diện tích 3,5 dặm vuông.

    Atwater, Hajimiri và Pellegrino đã thảo luận về tiến trình của họ — và tiềm năng biến đổi của năng lượng mặt trời trên không gian — khi dự án sắp đạt được một cột mốc quan trọng: một vụ phóng thử nghiệm các nguyên mẫu vào không gian vào tháng 12 năm 2022.

    Mô tả tầm nhìn đằng sau Dự án Điện Mặt trời trên Không gian. Dự án đã hình thành như thế nào?

    Sergio Pellegrino: Cách đây hơn 10 năm, vào năm 2011, cuộc trò chuyện bắt đầu với Donald Bren hỏi liệu Caltech có ý tưởng gì khi nghiên cứu trong lĩnh vực năng lượng bền vững và không gian hay không. Chúng tôi bắt đầu thảo luận, trong một nhóm các giảng viên, cách xây dựng dựa trên sở thích của chúng tôi và những gì đang xảy ra trong mỗi lĩnh vực của chúng tôi có thể dẫn đến một sáng kiến ​​nghiên cứu rất có tác động. Trong khoảng thời gian vài tháng, chúng tôi đã đưa ra một tầm nhìn - tôi gọi đó là một giấc mơ - về ba hoặc bốn đột phá công nghệ, kết hợp với nhau, sẽ biến đổi cách tiếp cận năng lượng mặt trời trong không gian trước đây.

    Ali Hajimiri: Trước đây, khái niệm này thực sự là khoa học viễn tưởng. Điều khiến chúng tôi có thể xem xét đưa nó từ lĩnh vực khoa học viễn tưởng sang lĩnh vực thực tế là sự kết hợp của những phát triển xảy ra trong quang điện trong phòng thí nghiệm của Harry, trong các cấu trúc trong phòng thí nghiệm của Sergio và trong quá trình truyền điện không dây, đang xảy ra trong phòng thí nghiệm của tôi. phòng thí nghiệm. Chúng tôi nhận ra rằng giờ đây chúng tôi có thể theo đuổi năng lượng mặt trời không gian theo cách vừa trở nên thiết thực vừa tiết kiệm.

    Một trong những câu hỏi đầu tiên mà bất cứ ai hỏi là, "Tại sao bạn muốn đặt quang điện trong không gian?" Chà, trong không gian, nơi bạn không có ngày và đêm, mây và những thứ tương tự, bạn nhận được năng lượng gấp tám lần. Tầm nhìn của chương trình này là có thể cung cấp nhiều điện năng bạn cần, ở nơi bạn cần và khi nào bạn cần.

    Bạn đã đạt được tiến bộ nào để hiện thực hóa tầm nhìn đầy tham vọng này?

    Pellegrino: Trong khoảng thời gian hai năm, chúng tôi đã chế tạo và trình diễn một loại ngói nguyên mẫu. Đây là yếu tố mô-đun quan trọng để thu nhận ánh sáng mặt trời và truyền tải điện năng. Qua quá trình đó, chúng tôi đã học được nhiều điều về cách thiết kế các hệ thống tích hợp cao và siêu nhẹ kiểu này. Sau đó, chúng tôi đã phát triển một nguyên mẫu thứ hai, nhẹ hơn 33% so với nguyên mẫu đầu tiên.

    Hajimiri: Loại gạch này là khối xây dựng, như Sergio đã đề cập, thuộc loại lớn nhất 

    Nó phải có đầy đủ chức năng, tương thích và có thể mở rộng. Mặc dù nghe có vẻ đơn giản nhưng thực ra nó khá phức tạp. Những tấm gạch này được gắn trên một cấu trúc rất linh hoạt, có thể gấp lại để lắp vào xe phóng. Sau khi được triển khai, cấu trúc sẽ mở rộng và các ô xếp hoạt động phối hợp và đồng bộ để tạo ra năng lượng, chuyển đổi nó và chuyển nó chính xác đến nơi bạn cần và không nơi nào khác.

    Bạn có thể cho chúng tôi biết gì về giai đoạn tiếp theo của dự án này?

    Atwater: Nó không trở thành hiện thực cho đến khi bạn thực sự lên vũ trụ. Như Sergio và Ali đã mô tả, chúng tôi đã chứng minh phần tử đơn vị quan trọng này được gọi là khối hình trong phòng thí nghiệm của chúng tôi. Một trong những bài học từ chuỗi cuộc biểu tình đó là con đường chúng ta cần đi theo đối với quang điện về cơ bản phải thay đổi. Chúng tôi đang làm việc với thứ mà tôi sẽ gọi là vật liệu quang điện thông thường, phải được thiết kế ở dạng khó đạt được diện tích khối lượng trên một đơn vị và các mục tiêu công suất cụ thể, vì vậy về cơ bản chúng tôi phải suy nghĩ lại về quang điện chiến lược hoàn toàn. Kết quả là, các lớp thiết bị quang điện mà chúng tôi đang thử nghiệm trong không gian thực sự chưa bao giờ bay trong không gian trước đây.

    Pellegrino: Hầu hết các tàu vũ trụ ngày nay đều có các mảng năng lượng mặt trời — các tế bào quang điện liên kết với cấu trúc hạt tải điện — nhưng không phải với loại vật liệu này và không được gấp lại theo kích thước mà chúng ta đã đạt được. Bằng cách sử dụng các kỹ thuật gấp mới lạ, lấy cảm hứng từ origami, chúng tôi có thể giảm đáng kể kích thước của một phi thuyền khổng lồ để phóng. Bao bì rất chặt chẽ về cơ bản không có bất kỳ khoảng trống nào.

    Hajimiri: Khả năng truyền điện không dây thuộc tính chất này chưa được chứng minh trong không gian. Chúng tôi cũng đang chứng minh điều đó bằng vật liệu linh hoạt, nhẹ, không nhất thiết phải là một cấu trúc cứng nhắc. Điều đó làm tăng thêm sự phức tạp.

    Nếu và khi điện mặt trời không gian trở thành hiện thực, nó có thể có tác động gì đến xã hội?

    Hajimiri: Nó sẽ cách mạng hóa bản chất của năng lượng và khả năng tiếp cận nó để nó trở nên phổ biến ở khắp mọi nơi, nó trở thành năng lượng có thể thay đổi được. Bạn có thể gửi nó đến nơi bạn cần. Sự chuyển hướng năng lượng này được thực hiện mà không có bất kỳ chuyển động cơ học nào, hoàn toàn thông qua các phương tiện điện sử dụng một mảng lấy nét, làm cho nó cực kỳ nhanh chóng.

    Atwater: Tôi nghĩ người ta có thể nói rằng tầm nhìn của Brens thực sự là làm một cái gì đó, như Ali đã đề cập, ban đầu xuất hiện gần như từ khoa học viễn tưởng, để làm một cái gì đó sẽ trở thành một nguồn năng lượng quy mô lớn cho thế giới.

    Pellegrino: Chúng tôi đã có các cộng tác viên JPL tham gia vào nhóm của chúng tôi và sự hợp tác đó đã trở nên mạnh mẽ và hữu ích đối với chúng tôi khi chúng tôi bắt đầu nghĩ về những cuộc trình diễn không gian này. Cuộc thảo luận về năng lượng được giới hạn ngầm trong việc cung cấp năng lượng cho trái đất thực sự còn mở rộng sang cả việc khám phá không gian. Chúng tôi đang mở các chương mới theo cách mà JPL đang nghĩ về các nhiệm vụ trong tương lai.

    Nói về sự hợp tác, làm việc trên các lĩnh vực nghiên cứu là một phần không thể thiếu đối với sự thành công của SSPP. Cảm giác như thế nào khi làm việc cùng nhau một cách mãnh liệt trong suốt một dự án dài hạn?

    Hajimiri: Các sinh viên, các postdocs, tất cả chúng tôi đã làm việc rất chặt chẽ và chúng tôi đã học được rất nhiều điều về các lĩnh vực của nhau. Điều này dẫn đến một cái gì đó hơn là tổng các phần của nó, cả về kết quả cuối cùng của dự án cũng như về mặt đào tạo mà sinh viên đang nhận được. Việc đào tạo đó là vô cùng quan trọng đối với tương lai của công nghệ vũ trụ, cho dù đó là truyền tải điện không dây, thông tin liên lạc, cấu trúc không gian hay tất cả các loại ứng dụng khác mà chúng ta thậm chí còn chưa nghĩ đến.

    Atwater: Tôi đã từng làm việc trong lĩnh vực quang điện nhưng chưa bao giờ tưởng tượng trong những giấc mơ ngông cuồng nhất của mình rằng tôi sẽ tham gia vào không gian cho đến khi cơ hội này đến với nhau. Và đối với tôi, đó là một cửa sổ mở ra một thế giới khoa học hoàn toàn mới. Điều đó cực kỳ thú vị.

    Pellegrino: Đôi khi có cảm giác như chúng tôi đang thúc ép đồng nghiệp của mình làm điều gì đó mà họ rõ ràng là không thể nhưng sau đó hóa ra không phải là không thể. Đó chỉ là một cảm giác tuyệt vời. Đó là một loại nghiên cứu khác, nơi bạn đang làm tốt nhất có thể trong lĩnh vực của riêng mình, nhưng bạn cũng đang tận dụng giao diện với các lĩnh vực khác, một hệ thống tập thể thực sự sẽ mang lại lợi ích cho xã hội. Mang lại lợi ích cho xã hội là một việc phức tạp hơn nhiều so với việc làm tốt trong lĩnh vực của bạn. Nó thách thức hơn rất nhiều.

    Zalo
    Hotline