Điện từ vũ trụ - giải pháp năng lượng cho tương lai

Ngoài vũ trụ không có bầu khí quyển, không có mây cũng không bao giờ có đêm tối - một địa điểm lý tưởng để xây dựng những trạm năng lượng Mặt trời hoạt động suốt 24 giờ/ngày, 365 ngày/năm.

Theo Hiệp hội Vũ trụ Quốc tế, năng lượng Mặt trời là giải pháp năng lượng dài hạn tiềm năng cho thế giới mà lại không gây ảnh hưởng tới môi trường. Nếu thành công, dự án này sẽ đáp ứng nhu cầu năng lượng toàn cầu, đặc biệt là tại các khu vực hiểm trở, khó vận chuyển nhiên liệu.

Năng lượng sạch từ không gian

Ý tưởng này lần đầu xuất hiện vào năm 1941 trong tác phẩm khoa học viễn tưởng của nhà văn Issac Asimov. Trong truyện, ông đã mô tả về những con robot điều khiển một trạm vũ trụ để chuyển năng lượng về Trái đất qua sóng điện từ. Với nền khoa học hiện đại ngày nay, câu truyện viễn tưởng này đã trở nên khả thi hơn.

Hiện tại, các quốc gia vốn chú trọng đến lĩnh vực sản xuất năng lượng như Mỹ, Trung Quốc, Ấn Độ và Nhật Bản đều đã triển khai nhiều dự án nghiên cứu với cùng một mục đích là xây dựng một hệ thống pin năng lượng Mặt trời đặt ngoài vũ trụ nhằm cung cấp nguồn năng lượng sạch khổng lồ có thể tái tạo cho Trái đất.

Dự kiến, mỗi tấm pin Mặt trời có kích thước rộng vài km sẽ chuyển hóa được từ 250MW đến 5GW điện năng đủ để đáp ứng nhu cầu điện năng cho một thành phố lớn. Ví dụ như New York, thành phố thuộc Mỹ này cần sử dụng 20GW điện nên chỉ cần 4 tấm trữ năng lượng loại tối đa cung cấp là đủ.

Theo Tiến sĩ Paul Jaffe, kỹ sư tàu vũ trụ tại Phòng thí nghiệm nghiên cứu hải quân Mỹ, dự án truyền điện từ không gian đòi hỏi những công nghệ phức tạp và đặt biệt là nguồn kinh phí khổng lồ, có thể lên tới hàng chục tỷ USD.

Chi phí của dự án này phụ thuộc vào số lần phóng thiết bị lên vũ trụ để xây dựng các vệ tinh truyền phát năng lượng. Với mức phí dao động từ 4.000 - 40.000USD để phóng một kg thiết bị lên vũ trụ, con số cuối cùng để xây dựng nên một trạm năng lượng Mặt trời đặt ngoài vũ trụ phải ngốn đến 20 tỷ USD. Tuy nhiên, một khi đã thiết lập thành công một nhà máy điện vũ trụ đầu tiên thì sẽ gây dựng được các nền tảng thực tế để nghiên cứu triển khai những dự án khác rẻ hơn.

Phương thức truyền năng lượng

Các nhà khoa học đã chứng minh rằng có hai phương thức khả thi để truyền năng lượng từ vũ trụ về các trạm thu ở Trái đất là qua tia laser và sóng điện từ (sóng cực ngắn để chuyển phát tín hiệu đài, vô tuyến và hâm nóng thức ăn trong lò vi sóng).

Quá trình chuyển năng lượng qua tia laser chỉ đòi hỏi sử dụng các vệ tinh dẫn laser kích thước nhỏ và có mức kinh phí không quá cao, từ 500 triệu USD đến 1 tỷ USD. Các tia laser có đường kính nhỏ sẽ giúp các nguồn tiêu thụ ở Trái đất nhận điện năng dễ dàng, thuận lợi hơn. Tuy nhiên, nếu mỗi vệ tinh nhỏ chỉ cung cấp được từ 1 - 10MW, phải cần tới rất nhiều thiết bị như vậy mới có thể cung cấp đủ lượng điện cần thiết. Mặt khác, chất lượng truyền tia laser còn bị ảnh hưởng bởi thời tiết mưa gió, mây mù ở địa cầu.

Còn đối với sóng điện từ, năm 1964, các nhà khoa học Mỹ từng dùng loại sóng này để chuyển năng lượng thành công cho một chiếc trực thăng. Chúng có ưu điểm là có thể hoạt động tốt trong mọi điều kiện thời tiết và có thể truyền dẫn hàng GW điện. Nhưng phương pháp này đòi hỏi rất nhiều tấm pin Mặt trời có kích thước lớn và đắt đỏ, vì vậy chi phí để xây dựng trạm vệ tinh năng lượng dẫn sóng điện từ sẽ lên tới hàng chục ngàn tỷ USD. Hiện các nhà nhà khoa vẫn đang phân tích kỹ lưỡng để chọn lấy phương thức truyền năng lượng Mặt trời tối ưu nhất.

“Mô đun bánh kẹp”

Được Phòng thí nghiệm nghiên cứu hải quân Mỹ tài trợ từ năm 2009, nghiên cứu của tiến sĩ Jaffe hiện đang tập trung vào một thiết bị gọi là “mô đun bánh kẹp” - làm nhiệm vụ lưu trữ ánh nắng Mặt trời và chuyển hóa chúng sang điện năng. Một mặt của thiết bị “bánh kẹp” sẽ nhận năng lượng Mặt trời bằng những tấm bảng điện quang có lớp chặn và mặt còn lại có ăngten để phát năng lượng đi.

“Mọi người đã không sử dụng sóng điện từ để truyền năng lượng vì quan niệm chúng chỉ dùng để truyền thông tin, như đài phát thanh, vô tuyến và điện thoại”, ông Jaffe cũng cho rằng sóng điện từ có thể truyền một lượng điện đủ dùng.

Mô đun do ông Jaffe chế tạo sẽ dài khoảng 3 mét và để lập thành một nhà máy điện trên không gian cần 80.000 thiết bị như thế. Tập hợp các mô đun này tạo thành một tấm thu năng lượng có chiều dài gấp 9 lần chiều dài một sân bóng và cũng lớn gấp 9 lần Trạm Vũ trụ Quốc tế (ISS) hiện nay. Trong khi đó, ở Trái đất, các trạm tiếp nhận với đường kính gần 10 km sẽ sử dụng loại ăngten đặc biệt có tên “rectenna” để thu sóng từ vũ trụ và chuyển hóa chúng thành điện năng.

Điều đặc biệt của phương thức truyền năng lượng qua sóng là cùng một trạm điện vũ trụ có thể cung cấp cho nhiều điểm tiêu thụ, ví dụ là thành phố Seattle của Mỹ rồi sau đó chuyển hướng tia sóng cung cấp điện sang thành phố Rio de Janeiro ở Brazil.

Tuy nhiên, tiến sĩ Jaffe nhận định cho dù nền khoa học công nghệ tân tiến hiện nay đã đủ đáp ứng yếu tố kỹ thuật, thì những trạm năng lượng đặt ngoài vũ trụ vẫn chịu sự chi phối của bài toán kinh phí. Dự án khai thác nguồn điện khổng lồ từ không gian rộng lớn kia vẫn còn là một dự án của tương lai.