Đưa các tấm pin ra ngoài vũ trụ để thu được năng lượng mặt trời bất kể thời tiết

Cách thức này tồn tại một điểm yếu: Pin mặt trời không thể thu năng lượng vào ban đêm.

Để đạt mức hiệu quả cao nhất, các tấm pin phải nhận được nhiều ánh sáng mặt trời nhất có thể. Vì vậy giới khoa học đang xem xét ý tưởng đưa chúng đến một nơi mà mặt trời không bao giờ lặn: Ngoài vũ trụ.

Về lý thuyết, một lượng lớn tấm pin mặt trời nếu được phóng lên quỹ đạo sẽ hấp thụ ánh sáng mặt trời ngay cả trong đêm lẫn trong ngày sương mù – tích trữ lượng điện năng khổng lồ. Nếu có công nghệ truyền năng lượng không dây thì con người sẽ nhận được năng lượng sạch 24/7, lượng khí thải carbon sẽ giảm đáng kể.

Trong bối cảnh khủng hoảng khí hậu ngày càng trầm trọng, nguồn năng lượng mặt trời trên vũ trụ trở nên quan trọng hơn bao giờ hết.

Từ tác phẩm khoa học viễn tưởng ra đời thực

Trong nhiều thập kỷ, năng lượng mặt trời trên vũ trụ đã sống trong tâm trí của người yêu thích tác phẩm khoa học viễn tưởng cũng như của không ít nhà khoa học.

Nhà khoa học người Nga - Konstantin Tsiolkovsky vào đầu những năm 1900 liên tục đưa ra một loạt thiết kế hình dung công nghệ mà con người sử dụng bên ngoài trái đất ở tương lai, chẳng hạn như thang máy vũ trụ, tên lửa có thể lái được và cả năng lượng mặt trời trên vũ trụ.

Kể từ khi Bell Labs phát minh ra tấm pin mặt trời vào những năm 1950, giới khoa học quốc tế không ngừng cố gắng biến tưởng tượng của Tsiolkovsky thành hiện thực.

Nhà khoa học Michael Kelzenberg, thành viên Dự án Năng lượng mặt trời trên vũ trụ (SSPP) thuộc Viện nghiên cứu công nghệ California, cho biết ý tưởng năng lượng mặt trời trên vũ trụ được xem xét rộng rãi ở giai đoạn cuối những năm 1960 - đầu những năm 1970 giống chương trình Apollo thời hoàng kim vậy. Không may là vật liệu quá nặng và công nghệ lúc đó không đủ tiên tiến để đem lại đột phá về hiệu quả hoạt động lẫn chi phí.

Vì vậy, Viện nghiên cứu công nghệ California (Caltech) tập trung tìm cách giảm khối lượng thành phần pin xuống 10 thậm chí 100 lần. Theo thành viên SSPP - Harry Atwater, đây là điều cần làm để giảm chi phí sản xuất cùng chi phí đưa pin mặt trời lên vũ trụ qua đó giúp loại năng lượng sạch này kinh tế hơn.

Bầu trời đầy tấm pin mặt trời

Thay vì dùng tên lửa vận chuyển các tấm pin mặt trời loại truyền thống lên vũ trụ, đội ngũ Caltech chủ trương phát triển tấm pin mới nhẹ hơn, nhỏ gọn có thể gập lại. Một số lượng lớn tấm pin như vậy sẽ được phóng lên quỹ đạo, mỗi tấm mang đầy đủ thành phần cần thiết để thu năng lượng. Chúng sẽ trở thành “mỏ năng lượng” khổng lồ trôi nổi phía trên trái đất khi được kết nối trên không gian.

SSPP đã thử nghiệm nhiều loại vật liệu tổng hợp để chế tạo cấu trúc pin siêu nhẹ lý tưởng, một số kém hiệu quả hơn tấm pin truyền thống sử dụng thông thường. Tuy nhiên,, nhà khoa học Kelzenberg chỉ ra rằng: “Khi ở ngoài vũ trụ, chúng nhận được ánh sáng mặt trời mạnh mẽ vì ánh sáng không phải đi qua tần khí quyển. Anh sáng cung cấp liên tục 24 giờ một ngày”.

Khi ánh sáng mặt trời chiếu vào, các tấm pin hấp thụ năng lượng điện một chiều (DC). Theo mô hình của SSPP, điện sẽ được chuyển thành sóng vô tuyến. Bước tiếp theo là chuyển năng lượng về trái đất.

SSPP tin tưởng chuyển năng lượng về trái đất hoàn toàn có thể thực hiện nhờ bức xạ vi sóng. Năng lượng dạng sóng vô tuyến sẽ được bắn về những khu vực lắp máy thu có ăng ten đặt trên sa mạc (nơi đang là những cánh đồng pin mặt trời hiện tại).

Về cơ bản đây chính là truyền năng lượng không dây mà nhà khoa học nổi tiếng thế kỷ 19 - Nikola Tesla từng nhắc đến. Nhà khoa học Kelzenberg nhấn mạnh cách này đảm bảo hệ thống thu năng lượng hoạt động ngay cả trong trời mưa lẫn lúc sương mù, chỉ có nguy cơ bị gián đoạn bởi hiện tượng thời tiết cực kỳ khắc nghiệt.

Song vẫn còn một nghi vấn: Liệu cách thức bức xạ vi sóng như vậy có tác động xấu đến thảm thực vật hay đất đai hay không? Nhà khoa học Atwater giải thích: “Mật độ năng lượng nhận được ở trái đất sẽ chỉ tương đương mật độ năng lượng của một ngày nắng. Hệ thống thu năng lượng có thể được thiết kế an toàn hoặc dùng biện pháp phòng ngừa bổ sung như phong tỏa vùng đặt máy thu”.

Máy thu dưới mặt đất sau khi nhận sóng vô tuyến sẽ làm việc với trạm chuyển đổi sóng thành điện DC. Điện DC tiếp tục chuyển thành điện xoay chiều (AC) hòa vào lưới điện.

SSPP dự định tiến hành thử nghiệm chứng minh tính hiệu quả của hệ thống trên vào cuối năm 2022 bằng một tàu vũ trụ thương mại. Thử nghiệm sẽ chỉ ở quy mô nhỏ với pin mặt trời được đưa vào không gian tạm thời.

Nếu một ngày nào đó năng lượng mặt trời trên vũ trụ trở thành hiện thực, thế giới có thể thay đổi. Khu vực hẻo lánh sẽ nhận được điện, lưới điện có thêm nguồn cung bổ sung, qua đó giảm thiểu nguy cơ xảy ra mất điện, hoạt động khám phá và khai thác trên các hành tinh khác cũng nhận được năng lượng (bắn sóng vô tuyến đến máy thu đặt ở hành tinh khác thay vì truyền về trái đất).

Quan trọng hơn, con người sẽ nhận được năng lượng sạch 24/7 đủ đáp ứng nhu cầu sử dụng ngày càng tăng thậm chí thay thế cả nhiệt điện than.

Phía trước vẫn còn một con đường dài. Dù thử nghiệm cuối năm sau của SSPP thành công thì vẫn phải xem xét vấn đề chi phí sản xuất và vấn đề sử dụng không gian (bị hạn chế bởi chính phủ các nước), cũng như tính khả năng của việc thay thế lưới điện hiện có bằng loạt nhà máy điện mặt trời. Qua quá trình thử nghiệm, con người sẽ rút ra được kinh nghiệm quý báu.