Năng lượng mặt trời trên không gian: liệu việc chiếu ánh sáng mặt trời trở lại Trái đất có đáp ứng được nhu cầu năng lượng của chúng ta không? Thông tin dữ liệu PlatoBlockchain. Tìm kiếm dọc. Ái.

Năng lượng mặt trời trên không gian: liệu ánh sáng mặt trời chiếu trở lại Trái đất có thể đáp ứng nhu cầu năng lượng của chúng ta không?

Ý tưởng thu ánh sáng mặt trời trong không gian và chiếu nó tới Trái đất từ ​​lâu đã là vấn đề khoa học viễn tưởng. Nhưng như Jon Cartwright phát hiện ra rằng, các chính phủ trên khắp thế giới hiện đang coi trọng “năng lượng mặt trời trên không gian” như một giải pháp tiềm năng cho nhu cầu năng lượng của chúng ta

(Được phép: Mark Tỏi / Thư viện ảnh Khoa học)

Nhà vật lý lý thuyết Freeman Dyson từng tưởng tượng về một nền văn minh ngoài hành tinh tiên tiến đến mức nó bao quanh ngôi sao mẹ bằng một lớp vỏ nhân tạo khổng lồ. Bề mặt bên trong này “Quả cầu Dyson” sẽ thu giữ bức xạ mặt trời và chuyển nó tới các điểm thu gom, nơi nó sẽ được chuyển đổi thành năng lượng có thể sử dụng được. Khái niệm như vậy vẫn là khoa học viễn tưởng, nhưng liệu một nguyên tắc tương tự có thể được sử dụng ở quy mô nhỏ hơn nhiều để khai thác sức mạnh của Mặt trời của chúng ta không?

Rốt cuộc, ngoài những đám mây, trong ngọn lửa không đêm của không gian gần Trái đất, có nhiều năng lượng mặt trời không bị gián đoạn hơn mức nhân loại thực tế có thể yêu cầu trong nhiều thế kỷ tới. Đó là lý do tại sao trong hơn 50 năm qua, một nhóm các nhà khoa học và kỹ sư đã mơ về các kỹ thuật thu năng lượng này trong không gian và truyền nó trở lại mặt đất.

“Năng lượng mặt trời dựa trên không gian”, như đã biết, có hai lợi ích to lớn so với các phương pháp truyền thống để khai thác Mặt trời và gió. Đầu tiên, việc đưa một vệ tinh thu ánh sáng mặt trời vào không gian có nghĩa là chúng ta sẽ không cần phải bao phủ những vùng đất rộng lớn trên Trái đất bằng các tấm pin mặt trời và trang trại gió. Thứ hai, chúng ta sẽ có nguồn cung cấp năng lượng dồi dào ngay cả khi, bất chấp điều kiện thời tiết địa phương, trời u ám hoặc gió đã lặng.

Và đó chính là vấn đề với năng lượng mặt trời và năng lượng gió trên Trái đất: chúng không bao giờ có thể đáp ứng nhu cầu năng lượng của chúng ta một cách nhất quán, ngay cả khi được mở rộng đáng kể. Các nhà nghiên cứu tại Đại học Nottingham ước tính vào năm ngoái rằng, nếu Vương quốc Anh dựa hoàn toàn vào các nguồn năng lượng tái tạo này, quốc gia này sẽ cần lưu trữ hơn 65 terawatt giờ năng lượng. Điều đó sẽ tiêu tốn hơn 170 tỷ bảng Anh, cao hơn gấp đôi so với mạng lưới đường sắt cao tốc sắp ra mắt của đất nước (Năng lượng 14 8524).

Thật không may, hầu hết các nỗ lực để hiện thực hóa năng lượng mặt trời trên không gian đều gặp phải các vấn đề kinh tế và kỹ thuật dường như khó giải quyết. Nhưng thời thế đang thay đổi. Các thiết kế vệ tinh sáng tạo cũng như chi phí phóng thấp hơn nhiều đột nhiên khiến năng lượng mặt trời trên không gian dường như là một giải pháp thực tế. Nhật Bản đã viết nó thành luật như một mục tiêu quốc gia, trong khi Cơ quan Vũ trụ châu Âu đã đưa ra lời kêu gọi ý tưởng. Trung QuốcMỹ đều đang xây dựng cơ sở thử nghiệm.

Trong khi đó, một tham vấn do chính phủ Anh công bố vào năm 2021 kết luận rằng năng lượng mặt trời trên không gian là khả thi về mặt kỹ thuật và kinh tế. Thật trêu ngươi, người ta cho rằng giải pháp công nghệ này có thể được đưa vào thực tế 10 năm trước mục tiêu “không ròng” vào năm 2050 của Hội đồng liên chính phủ về biến đổi khí hậu. Vậy năng lượng mặt trời trên không gian có phải là câu trả lời cho những tai ương về khí hậu của chúng ta không? Và nếu vậy, điều gì đang ngăn cản nó trở thành hiện thực?

Giấc mơ không gian

Khái niệm ban đầu về năng lượng mặt trời từ không gian được Peter Glaser, một kỹ sư người Mỹ tại công ty tư vấn Arthur D Little, nghĩ ra vào năm 1968. Ông dự tính đặt một vệ tinh hình đĩa khổng lồ vào quỹ đạo địa tĩnh cách Trái đất khoảng 36,000 km. (Khoa học 162 857). Vệ tinh có đường kính khoảng 6 km, sẽ được làm bằng các tấm quang điện để thu ánh sáng mặt trời và chuyển đổi thành năng lượng điện. Năng lượng này sau đó sẽ được chuyển thành sóng vi ba bằng cách sử dụng bộ khuếch đại ống và chiếu tới Trái đất thông qua máy phát có đường kính 2 km.

Đây là dạng năng lượng xanh, tái tạo duy nhất có tiềm năng cung cấp năng lượng điện cơ bản, liên tục.

Chris Rodenbeck, Phòng thí nghiệm Nghiên cứu Hải quân Hoa Kỳ

Cái hay của vi sóng là chúng không bị hấp thụ bởi các đám mây trên Trái đất và do đó sẽ truyền qua phần lớn (mặc dù không hoàn toàn) mà không bị cản trở trong bầu khí quyển của chúng ta. Glaser dự tính chúng sẽ được thu thập bởi một ăng-ten cố định có đường kính 3 km, nơi chúng sẽ được chuyển thành điện năng cho lưới điện. Ông viết: “Mặc dù việc sử dụng vệ tinh để chuyển đổi năng lượng mặt trời có thể phải mất vài thập kỷ nữa nhưng vẫn có thể khám phá một số khía cạnh của công nghệ cần thiết như một kim chỉ nam cho sự phát triển trong tương lai”.

Phản ứng ban đầu là tích cực trong ít nhất một số quý, với việc NASA trao cho công ty của Glaser, Arthur D Little, một hợp đồng nghiên cứu sâu hơn. Tuy nhiên, trong nhiều năm qua, kết luận của các nghiên cứu tiếp theo về năng lượng mặt trời trên không gian đã dao động từ tích cực một cách thận trọng đến tiêu cực bề ngoài.

1 Vệ tinh năng lượng mặt trời có nhiều khớp quay (MR-SPS)

Minh họa MR-SPS

Khái niệm này về năng lượng mặt trời trên không gian được xây dựng dựa trên các đề xuất ban đầu năm 1968 do kỹ sư người Mỹ Peter Glaser nghĩ ra. Được biết đến với tên gọi Vệ tinh năng lượng mặt trời nhiều khớp quay (MR-SPS), nó được phát minh vào năm 2015 bởi Hou Xinbin và những người khác tại Học viện Công nghệ Vũ trụ Trung Quốc ở Bắc Kinh. Vệ tinh nặng 10,000 tấn, rộng khoảng 12 km, sẽ di chuyển theo quỹ đạo địa tĩnh cách Trái đất khoảng 36,000 km, với ánh sáng mặt trời được thu thập bởi các tấm pin mặt trời và chuyển thành sóng vi ba được chiếu tới Trái đất bằng một máy phát trung tâm. Để cho phép năng lượng được truyền liên tục đến chúng ta, các tấm quang điện có thể quay mặt về phía Mặt trời so với bộ phát trung tâm luôn hướng về Trái đất. Các tấm pin mặt trời và máy phát được kết nối bằng một giàn giáo hình chữ nhật đơn. Không giống như các thiết kế của đối thủ, mẫu concept MR-SPS không dựa vào gương.

Ví dụ, vào năm 2015, công nghệ này chỉ nhận được một phán quyết khá thờ ơ. trong báo cáo của Viện Nghiên cứu Chiến lược (SSI) của Trường Cao đẳng Chiến tranh Quân đội Hoa Kỳ, trong đó trích dẫn "không có bằng chứng thuyết phục" rằng năng lượng mặt trời không gian có thể cạnh tranh về mặt kinh tế với việc sản xuất điện trên mặt đất. SSI đặc biệt chỉ trích “các giả định đáng nghi ngờ” do những người đề xuất đưa ra liên quan đến việc đưa một cấu trúc quỹ đạo khổng lồ như vậy vào không gian. Nói một cách đơn giản, báo cáo nói rằng không có đủ phương tiện phóng và những phương tiện hiện có thì quá đắt.

Nhưng phán quyết kém sáng sủa của SSI lại đến trước các công ty tư nhân – đặc biệt là SpaceX – bắt đầu chuyển đổi ngành công nghiệp vũ trụ. Bằng cách kết hợp các hệ thống tên lửa có thể tái sử dụng với thái độ thử và sai trong nghiên cứu và phát triển, trong thập kỷ qua, công ty Mỹ đã cắt giảm chi phí phóng vào quỹ đạo gần Trái đất hơn 10 lần (mỗi kg trọng tải). ), với kế hoạch giảm nó xuống ở mức độ lớn hơn nữa. Trên thực tế, điều mà SSI coi là hạn chế lớn về chi phí phóng không còn là vấn đề nữa.

Không phải chi phí để đưa một vệ tinh vào không gian là vấn đề duy nhất. Ý tưởng ban đầu của Glaser có vẻ đơn giản nhưng ẩn chứa nhiều thách thức. Đầu tiên, khi một vệ tinh quay quanh Trái đất, góc giữa Mặt trời, tàu vũ trụ và điểm trên Trái đất mà năng lượng được gửi tới liên tục thay đổi. Ví dụ: nếu một vệ tinh địa tĩnh được huấn luyện trên Trái đất, quang điện của nó sẽ hướng về phía Mặt trời vào buổi trưa nhưng quay lưng về phía Mặt trời vào lúc nửa đêm. Nói cách khác, vệ tinh không phải lúc nào cũng tạo ra điện.

Giải pháp ban đầu cho vấn đề này là liên tục xoay các tấm quang điện so với các bộ phát vi sóng để chúng luôn cố định. Khi đó, các tấm quang điện sẽ luôn hướng về phía Mặt trời, trong khi các máy phát sẽ luôn hướng về Trái đất. Được NASA đưa ra lần đầu tiên vào năm 1979 như một sự phát triển ý tưởng của Glaser, giải pháp này đã được mở rộng hơn nữa trong đề xuất năm 2015 của các kỹ sư tại Học viện Công nghệ Vũ trụ Trung Quốc ở Bắc Kinh, người gọi nó là Vệ tinh Năng lượng Mặt trời Đa khớp quay, hay MR-SPS (hình 1).

Trong khi đó, John Mankins, cựu kỹ sư của NASA, đã phát minh ra một giải pháp đối thủ vào năm 2012. Được mệnh danh là SPS Alpha, ý tưởng của ông là giữ cố định các tấm pin mặt trời và máy phát, nhưng lắp nhiều gương xung quanh các tấm pin (hình 2). Được gọi là kính định nhật, những chiếc gương này có thể quay, liên tục chuyển hướng ánh sáng mặt trời vào các tấm pin mặt trời và do đó cho phép vệ tinh cung cấp năng lượng cho Trái đất mà không bị gián đoạn.

2 SPS-Alpha

Minh họa SPS-ALPHA

Trong khái niệm SPS-Alpha, do cựu kỹ sư NASA John Mankins ở Mỹ phát minh, phần thân chính của vệ tinh – các tấm pin mặt trời và máy phát – được cố định và luôn hướng về Trái đất. Nằm trên quỹ đạo địa tĩnh, vệ tinh nặng 8000 tấn bao gồm một dãy mô-đun hình đĩa chuyển đổi ánh sáng mặt trời thành điện năng thông qua quang điện, sau đó truyền năng lượng đó dưới dạng sóng vi ba. Được kết nối với mảng có đường kính 1700 m này là một dãy gương hình vòm riêng biệt, lớn hơn, quay độc lập để phản chiếu ánh sáng mặt trời tới mảng, tùy thuộc vào vị trí của Mặt trời so với Trái đất trong quỹ đạo địa tĩnh.

Tuy nhiên, cả MR-SPS và SPS Alpha đều không đạt yêu cầu, theo Ian tiền mặt, giám đốc và kỹ sư trưởng tại Công ty TNHH Điện Quốc Tế ở Oxfordshire, Vương quốc Anh. Từng là nhà thiết kế hệ thống điện tử trong lĩnh vực ô tô, hàng không vũ trụ và năng lượng, Cash cách đây một thập kỷ đã hướng tâm trí của mình sang phát triển tư nhân các nguồn năng lượng sạch, quy mô lớn. Ban đầu bị thu hút bởi tiềm năng của phản ứng tổng hợp hạt nhân, anh ta đã bị cản trở bởi những vấn đề “thực sự khó khăn” của nó và nhanh chóng coi năng lượng mặt trời trên không gian là lựa chọn thiết thực nhất.

Đối với Cash, vấn đề với cả MR-SPS và SPS Alpha là chúng phải xoay một số phần của vệ tinh so với các phần khác. Do đó, mọi bộ phận sẽ phải được kết nối vật lý với bộ phận khác và cần một khớp nối có thể di chuyển được. Vấn đề là, khi được sử dụng trên các vệ tinh như Trạm vũ trụ quốc tế, các khớp nối như vậy có thể bị hỏng do hao mòn. Cash kết luận rằng việc loại bỏ các khớp nối sẽ làm cho vệ tinh năng lượng mặt trời trở nên đáng tin cậy hơn. “Tôi muốn tìm hiểu xem cần có giải pháp trạng thái rắn luôn nhìn thấy Mặt trời và Trái đất,” anh nói.

Đến năm 2017, Cash đã tìm ra điều đó, hoặc anh ấy tuyên bố như vậy. Của anh ấy Khái niệm CASSIOPeiA là một vệ tinh về cơ bản trông giống như một cầu thang xoắn ốc, với các tấm quang điện là “bậc thang” và các máy phát vi sóng – các lưỡng cực hình que – là “các bậc thang”. Hình học xoắn ốc thông minh của nó có nghĩa là CASSIOPeiA có thể nhận và truyền năng lượng mặt trời 24 giờ một ngày mà không cần bộ phận chuyển động (hình 3).

Cash, người có ý định thu lợi từ CASSIOPeiA bằng cách cấp phép sở hữu trí tuệ liên quan, yêu cầu nhiều lợi ích khác cho khái niệm của mình. Vệ tinh được đề xuất của ông có thể được chế tạo từ hàng trăm (và có thể hàng nghìn) mô-đun nhỏ hơn được liên kết với nhau, trong đó mỗi mô-đun thu năng lượng mặt trời, chuyển đổi điện tử thành vi sóng và sau đó truyền chúng đến Trái đất. Cái hay của phương pháp này là nếu bất kỳ một mô-đun nào bị tia vũ trụ hoặc mảnh vụn vũ trụ tấn công thì sự hỏng hóc của nó sẽ không làm toàn bộ hệ thống bị ảnh hưởng.

Một ưu điểm khác của CASSIOPeiA là các thành phần không quang điện thường xuyên ở trong bóng tối, giúp giảm thiểu sự tản nhiệt – một vấn đề trong chân không không đối lưu của không gian. Cuối cùng, vì vệ tinh luôn hướng về Mặt trời nên nó có thể chiếm nhiều loại quỹ đạo hơn, bao gồm cả những quỹ đạo có hình elip cao. Đôi khi, nó sẽ ở gần Trái đất hơn so với khi nó là địa tĩnh, điều này làm cho nó rẻ hơn vì bạn không cần phải mở rộng quy mô thiết kế trên cơ sở một máy phát khổng lồ như vậy.

3 CASSIOPeiA

Hình 2a
Hình 2b
Mảng xoắn ốc trong đề xuất CASSIOPeiA

a Đề xuất CASSIOPeiA về năng lượng mặt trời trên không gian, được phát triển bởi Ian Cash tại Công ty TNHH Điện lực Quốc tế ở Anh, hình dung một vệ tinh có khối lượng lên tới 2000 tấn ngồi trên quỹ đạo địa không đồng bộ hoặc hình elip quanh Trái đất. b Ánh sáng mặt trời chiếu vào hai tấm gương hình elip khổng lồ (đĩa màu vàng), mỗi tấm có đường kính lên tới 1700 m, nằm nghiêng 45° đến một dãy xoắn ốc gồm tới 60,000 tấm pin mặt trời (màu xám). Những tấm này thu thập ánh sáng mặt trời và biến nó thành sóng vi ba ở tần số cụ thể, sau đó truyền đến trạm mặt đất trên Trái đất có đường kính khoảng 5 km. Trạm này chuyển đổi vi sóng thành điện năng cho lưới điện. Ưu điểm của hình học xoắn ốc là vi sóng có thể liên tục hướng về Trái đất mà không cần các khớp nối, vốn thường bị hỏng trong môi trường không gian. c Thay vào đó, vi sóng được điều khiển thông qua việc điều chỉnh pha tương đối của lưỡng cực trạng thái rắn.

Có lẽ không có gì đáng ngạc nhiên khi các đối thủ cạnh tranh của Cash không đồng ý với đánh giá của ông. Mankins, hiện đang có trụ sở tại Giải pháp Quản lý Đổi mới Artemis ở California, Hoa Kỳ, tranh luận rằng các kính định nhật có khớp nối trong ý tưởng SPS-Alpha của ông là có vấn đề. Thay vào đó, ông tuyên bố chúng là “một phần mở rộng đơn giản của [a] công nghệ rất trưởng thành” đã được sử dụng để tập trung ánh sáng mặt trời để làm nóng chất lỏng và điều khiển tua-bin trong “tháp năng lượng mặt trời” ngay tại đây ở trên Trái Đất. Ông cũng tin rằng những chiếc gương kép mà CASSIOPeiA yêu cầu có thể là một vấn đề vì chúng phải được chế tạo rất chính xác.

“Tôi đánh giá cao Ian và công việc của anh ấy; Ý tưởng CASSIOPeiA gần đây hơn của anh ấy là một trong số những ý tưởng có đặc điểm rất giống nhau, bao gồm cả SPS-Alpha,” Mankins nói. “Tuy nhiên, tôi không đồng ý với kỳ vọng của anh ấy rằng CASSIOPeiA sẽ tỏ ra vượt trội hơn SPS-Alpha.” Đối với Mankins, cách tiếp cận tốt nhất với năng lượng mặt trời trên không gian cuối cùng sẽ phụ thuộc vào kết quả của các dự án phát triển, trong đó chi phí thực tế cho mỗi kilowatt giờ điện trên Trái đất là yếu tố quan trọng.

Có thể mở rộng và nổi bật

Sự quan tâm đến năng lượng mặt trời trong không gian đã tăng thêm sau sự bùng nổ của Báo cáo năm 2021 của chính phủ Anh vào công nghệ, điều khó có thể tích cực hơn về khái niệm này. Nó được soạn thảo bởi các kỹ sư tại công ty tư vấn có trụ sở tại Vương quốc Anh Frazer-Nash, người đã trao đổi thư từ với một số chuyên gia năng lượng và kỹ thuật vũ trụ – bao gồm cả những người phát minh ra SPS Alpha, MR-SPS và CASSIOPeiA.

Báo cáo kết luận rằng vệ tinh CASSIOPeiA rộng 1.7 km trên quỹ đạo địa tĩnh truyền bức xạ mặt trời tới khoảng cách 100 km.2 mảng máy thu vi sóng (hoặc “trực tràng”) đặt ở đây trên Trái đất sẽ tạo ra 2 GW năng lượng liên tục. Điều đó tương đương với sản lượng của một nhà máy điện lớn thông thường. Nó cũng tốt hơn nhiều so với hiện tại Trang trại gió London Array ở cửa sông Thames, lớn hơn khoảng 25% nhưng chỉ tạo ra công suất trung bình chỉ 190 MW.

Tuy nhiên, điều đáng chú ý hơn là phân tích kinh tế của báo cáo. Dựa trên ước tính rằng một hệ thống có kích thước đầy đủ sẽ tiêu tốn 16.3 tỷ bảng Anh để phát triển và ra mắt, đồng thời cho phép tỷ lệ hoàn vốn đầu tư tối thiểu là 20% so với cùng kỳ năm trước, họ kết luận rằng hệ thống năng lượng mặt trời trên không gian sẽ có thể, trong vòng đời khoảng 100 năm của nó, tạo ra năng lượng với giá £50 mỗi MWh.

Frazer-Nash cho biết giá này đắt hơn 14–52% so với năng lượng gió và mặt trời trên mặt đất hiện nay. Tuy nhiên, quan trọng là, nó rẻ hơn 39–49% so với các nguồn năng lượng sinh khối, hạt nhân hoặc khí hiệu quả nhất, vốn là những nguồn duy nhất hiện có thể cung cấp năng lượng “tải cơ bản” không bị gián đoạn. Các tác giả của báo cáo cũng cho biết ước tính thận trọng của họ về chi phí “dự kiến ​​sẽ giảm khi quá trình phát triển diễn ra”.

“Nó có khả năng mở rộng đáng kinh ngạc,” nói Martin Soltau của Frazer-Nash, một trong những tác giả. Và với mức độ ánh sáng mặt trời trong không gian xung quanh Trái đất sáng hơn nhiều so với bên dưới, ông cho rằng mỗi mô-đun năng lượng mặt trời sẽ thu được lượng ánh sáng gấp 10 lần so với khi được lắp đặt trên mặt đất. Báo cáo tính toán rằng Vương quốc Anh sẽ cần tổng cộng 15 vệ tinh – mỗi vệ tinh có bộ chỉnh lưu riêng – để cung cấp 2050/XNUMX nhu cầu năng lượng của đất nước vào năm XNUMX. Mỗi bộ chỉnh lưu có thể được đặt dọc theo hoặc thậm chí trong một trang trại gió hiện có.

Nếu chương trình này được mở rộng hơn nữa, về nguyên tắc, nó có thể cung cấp hơn 150% tổng nhu cầu điện toàn cầu (mặc dù nguồn cung cấp năng lượng linh hoạt thường đòi hỏi phải có sự kết hợp rộng rãi của nhiều nguồn). Soltau cho biết thêm, năng lượng mặt trời trên không gian cũng sẽ có tác động đến môi trường thấp hơn nhiều so với các nguồn năng lượng tái tạo trên Trái đất. Lượng khí thải carbon sẽ nhỏ, sẽ có ít nhu cầu về khoáng sản đất hiếm và sẽ không giống như tua-bin gió, sẽ không có tiếng ồn hoặc các cấu trúc cao có thể nhìn thấy được.

Nếu tất cả những điều đó nghe có vẻ quá tốt để có thể là sự thật thì có lẽ đúng như vậy. Báo cáo của Frazer-Nash thừa nhận một số “vấn đề phát triển”, đặc biệt là việc tìm cách làm cho việc truyền năng lượng không dây hiệu quả hơn. Chris Rodenbeck, một kỹ sư điện từ Phòng thí nghiệm Nghiên cứu Hải quân Hoa Kỳ ở Washington DC, nói rằng việc trình diễn công nghệ này trên quy mô lớn là khó đạt được. Chúng đòi hỏi những khoản đầu tư bền vững và những tiến bộ có mục tiêu trong các linh kiện điện tử, chẳng hạn như điốt chỉnh lưu công suất cao, vốn không có sẵn.

May mắn thay, việc truyền năng lượng không dây đã phát triển trong nhiều thập kỷ. Vào năm 2021, nhóm của Rodenbeck đã truyền 1.6 kW năng lượng điện đi quãng đường 1 km, với hiệu suất chuyển đổi vi sóng thành điện là 73%. Nhìn bề ngoài, điều đó kém ấn tượng hơn so với cuộc trình diễn năng lượng không dây mạnh mẽ nhất cho đến nay, diễn ra vào năm 1975 khi các nhân viên tại Phòng thí nghiệm Goldstone của NASA ở California đã chuyển đổi vi sóng 10 GHz thành điện năng với hiệu suất trên 80%. Tuy nhiên, điều quan trọng là Rodenbeck đã sử dụng sóng vi ba tần số thấp hơn 2.4 GHz, điều này sẽ ít gây thất thoát khí quyển hơn trong không gian.

Để chống lại sự nhiễu xạ cao hơn (sự lan truyền chùm tia) xảy ra tự nhiên ở tần số thấp hơn, các nhà nghiên cứu đã khai thác địa hình xung quanh để “dội” vi sóng về phía mảng máy thu, từ đó cải thiện mật độ năng lượng lên 70% (IEEE J. Microw. 2 28). Rodenbeck cho biết: “Chúng tôi đã thực hiện [thử nghiệm] khá nhanh và rẻ trong thời kỳ đại dịch toàn cầu. “Chúng tôi có thể đạt được nhiều hơn thế.”

Quá trình xây dựng ban đầu sẽ yêu cầu một nhà máy hoạt động 24/7 trong không gian, với dây chuyền lắp ráp giống như một nhà máy sản xuất ô tô trên Trái đất.

Yang Gao, Đại học Surrey

Rodenbeck lạc quan về triển vọng của năng lượng mặt trời trên không gian. Trong khi phản ứng tổng hợp hạt nhân, ông tuyên bố, “đang gặp phải những vấn đề cơ bản của vật lý”, thì năng lượng mặt trời trong không gian – và truyền tải điện không dây – chỉ đơn thuần là “chạy đua với đồng đô la”. “[Đó] là dạng năng lượng xanh, tái tạo duy nhất có tiềm năng cung cấp năng lượng điện cơ bản, liên tục,” Rodenbeck tuyên bố. “Trừ một bước đột phá về mặt kỹ thuật [trong] phản ứng tổng hợp hạt nhân có kiểm soát, có vẻ như rất có thể nhân loại sẽ khai thác năng lượng mặt trời trong không gian cho nhu cầu năng lượng trong tương lai.”

Tuy nhiên, một lưu ý thận trọng đến từ Dương Cao, một kỹ sư không gian tại Đại học Surrey ở Anh, thừa nhận rằng “quy mô tuyệt đối” của hệ thống không gian được đề xuất “khá đáng kinh ngạc”. Cô tin rằng công trình xây dựng ban đầu có thể yêu cầu “một nhà máy hoạt động 24/7 trong không gian, với dây chuyền lắp ráp giống như một nhà máy sản xuất ô tô trên Trái đất”, có thể sử dụng robot tự động. Về việc bảo trì cơ sở, một khi được xây dựng, Gao nói rằng điều đó sẽ “đòi hỏi khắt khe”.

Đối với Cash, điều quan trọng nhất là quỹ đạo mà một vệ tinh năng lượng không gian sẽ chiếm giữ. Một vệ tinh năng lượng mặt trời địa tĩnh sẽ ở cách xa Trái đất đến mức nó sẽ cần các máy phát và bộ chỉnh lưu khổng lồ và đắt tiền để truyền năng lượng hiệu quả. Nhưng bằng cách tận dụng nhiều vệ tinh trên quỹ đạo ngắn hơn, có hình elip cao, Cash cho biết, các nhà đầu tư có thể hiện thực hóa các hệ thống hoạt động nhỏ hơn trên khái niệm CassiOPeiA với một phần vốn. Ngược lại, SPS Alpha và MR-SPS sẽ phải có kích thước đầy đủ ngay từ ngày đầu tiên.

Có đủ ý chí không?

Tuy nhiên, thách thức lớn nhất đối với năng lượng mặt trời trên không gian có thể không phải là kinh tế hay kỹ thuật mà là chính trị. Trong một thế giới nơi có rất nhiều người tin vào các thuyết âm mưu xung quanh công nghệ di động 5G, việc chiếu hàng gigawatt năng lượng vi sóng từ không gian tới Trái đất có thể là một mặt hàng khó bán – mặc dù cường độ chùm tia tối đa chỉ là 250 W/m2, chưa đến một phần tư cường độ mặt trời tối đa ở xích đạo.

Trên thực tế, báo cáo của Vương quốc Anh thừa nhận rằng những người đề xuất nó cần phải kiểm tra mức độ quan tâm của công chúng và “sắp xếp một cuộc trò chuyện” xung quanh các ý tưởng chính. Nhưng cũng có những cân nhắc thực sự về mặt kỹ thuật và xã hội. Các trực tràng sẽ được đặt ở đâu? Làm thế nào các vệ tinh sẽ ngừng hoạt động khi hết tuổi thọ mà không tạo ra rác vũ trụ? Liệu còn khoảng trống trong quang phổ vi sóng cho bất cứ thứ gì khác không? Và hệ thống có dễ bị tấn công không?

Sau báo cáo của mình, Chính phủ Anh công bố quỹ 3 triệu bảng để giúp các ngành công nghiệp phát triển một số công nghệ chủ chốt, cựu thư ký kinh doanh Kwasi Kwarteng nói rằng năng lượng mặt trời trên không gian “có thể cung cấp nguồn năng lượng sạch, giá cả phải chăng và đáng tin cậy cho toàn thế giới”. Lượng tiền mặt đó khó có thể tiến xa tới một công việc có quy mô như thế này, đó là lý do tại sao Soltau đã giúp thành lập một doanh nghiệp có tên Không gian năng lượng mặt trời, hy vọng sẽ huy động được 200 triệu bảng ban đầu từ các nhà đầu tư tư nhân.

Trong khi đó, cái mà ông gọi là “sự hợp tác của ý chí”, Sáng kiến ​​Năng lượng Không gian, đã quy tụ các nhà khoa học, kỹ sư và công chức từ hơn 50 tổ chức học thuật, công ty và cơ quan chính phủ đang làm việc miễn phí để giúp đưa một hệ thống làm việc thành hiện thực. SpaceX chưa có tên trong danh sách nhưng Soltau tuyên bố đã thu hút được sự chú ý của công ty Mỹ. “Họ rất quan tâm,” anh nói.

Tiền mặt không nghi ngờ rằng khoản đầu tư sẽ được tìm thấy. Năng lượng tái tạo trên mặt đất không thể cung cấp năng lượng phụ tải cơ bản, không bị gián đoạn nếu không có cơ sở hạ tầng pin cực kỳ tốn kém, trong khi năng lượng hạt nhân luôn vấp phải sự phản đối gay gắt. Cash tin rằng năng lượng mặt trời trên không gian là một phần quan trọng trong sự kết hợp nếu chúng ta muốn đạt mức không ròng và việc chỉ yêu cầu mọi người sử dụng ít năng lượng hơn là một “ý tưởng nguy hiểm”. Hầu hết các cuộc chiến tranh đều diễn ra vì thiếu nguồn lực,” ông nói. “Nếu chúng ta không tìm cách giữ cho nền văn minh tiếp tục phát triển thì giải pháp thay thế sẽ rất đáng sợ”.

Dấu thời gian:

Thêm từ Thế giới vật lý