Thiết kế lưới điện siêu nhỏ cung cấp năng lượng cho căn cứ của NASA trên Mặt trăng

Phòng thí nghiệm Sandia nổi tiếng với việc thiết kế hệ thống vi mạch chắc chắn và có khả năng phục hồi cho các căn cứ quân sự cùng các dịch vụ quan trọng của thành phố. Giờ đây, các nhà nghiên cứu của Sandia đang làm việc với NASA để thiết kế một hệ thống cung cấp năng lượng cho căn cứ trên Mặt trăng.

Đây không phải là lần đầu tiên Sandia hợp tác với NASA để cung cấp năng lượng cho các thiết bị trên Mặt trăng. Trên thực tế, Sandia đã cung cấp hướng dẫn kỹ thuật cho máy phát nhiệt điện đồng vị phóng xạ cung cấp năng lượng cho các thí nghiệm trên Mặt trăng trong nhiều sứ mệnh Apollo.

Tham vọng thiết lập căn cứ vĩnh cửu trên Mặt trăng của NASA là nỗ lực diễn tập cho nhiệm vụ chở người tới sao Hỏa, đặt ra thách thức khổng lồ về mặt kỹ thuật. Căn cứ Mặt trăng không chỉ ở xa Trái đất hơn 1.000 lần so với Trạm Vũ trụ Quốc tế (ISS) mà còn đòi hỏi phương pháp giải quyết vấn đề hoàn toàn mới.

Một trong những thách thức lớn nhất là cung cấp điện cho căn cứ. Do cần đón phi hành gia tới ở trong hai tháng mỗi lần, căn cứ sẽ cần hoạt động trong suốt đêm Mặt trăng kéo dài 14 ngày. Điều đó có nghĩa pin mặt trời không phải giải pháp thực tế, vì vậy hàng loạt lò phản ứng hạt nhân cỡ nhỏ đang được phát triển để sử dụng kết hợp với tấm pin mặt trời. Tuy nhiên, căn cứ cần lưới điện siêu nhỏ để truyền tải điện, đảm bảo nguồn cung cấp thường xuyên và ổn định. Độ phức tạp càng tăng thêm khi căn cứ bao gồm đơn vị cư trú hoàn chỉnh và tổ hợp để khai thác mỏ, xử lý nhiên liệu ở cách đó vài kilomet.

Jack Flicker, một kỹ sư điện của Sandia, cho biết đơn vị cư trú hoàn chỉnh cần đủ chỗ ở cho tối đa 4 phi hành gia cùng tiềm năng khai thác và xử lý nhiên liệu riêng biệt, được gọi là sử dụng tài nguyên tại chỗ. Các nhiệm vụ Artemis ban đầu sẽ bao gồm lưu trú ngắn hạn tại căn cứ, mục tiêu tăng thời gian lưu trú hai tháng một lần.

Trong khi đó, các cơ sở khai thác mỏ và xử lý nhiên liệu có thể sản xuất nhiên liệu tên lửa, nước, oxy và các vật liệu khác cần thiết cho quá trình khám phá mở rộng bề mặt Mặt trăng trong khi giảm nhu cầu cung cấp từ Trái đất. Cơ sở này sẽ nằm cách xa đơn vị cư trú, vì vậy các hoạt động khoa học và công nghệ khác được tiến hành ở đó sẽ không bị gián đoạn. Lưới điện cho hai đơn vị cần được kết nối trong trường hợp khẩn cấp để có khả năng phục hồi, Flicker nói thêm.

Theo đề xuất, lưới điện siêu nhỏ ở mỗi cơ sở sẽ kết nối với nhau, tương tự lưới điện trên trạm ISS, nhưng đòi hỏi một số điều chỉnh cơ bản. Ví dụ, các nhà nghiên cứu của Sandia cần xác định lưới điện hoạt động với dòng điện một chiều hay sử dụng dòng điện xoay chiều và biến đổi thành dòng điện một chiều ở nơi sinh sống.

Các thành viên của nhóm Sandia, bao gồm Lee Rashkin và Dave Wilson, đang thiết kế bộ điều khiển hệ thống điện cho lưới điện siêu nhỏ của tổ hợp khai thác và xử lý nhiên liệu. NASA đang thiết kế bộ điều khiển hệ thống điện cho đơn vị cư trú vì nó sẽ rất giống với hệ thống điện của Trạm Vũ trụ Quốc tế (ISS). Flicker và thành viên trong nhóm cũng đang phát triển hệ thống kết nối hai lưới điện, đồng thời nghiên cứu dòng điện và hoạt động giữa chúng.

Flicker nói: “Có một số khác biệt rất quan trọng giữa lưới điện siêu nhỏ kiểu ISS với một cơ sở có phạm vi lớn như căn cứ trên Mặt trăng. Một trong những khác biệt đó là kích thước địa lý, vấn đề đặc biệt khi vận hành ở điện thế thấp của dòng điện một chiều. Một vấn đề khác là khi bắt đầu mở rộng hệ thống, sẽ có nhiều thiết bị điện và nguồn phân phối điện trong căn cứ. Sandia đã xem xét các lưới điện siêu nhỏ có nhiều nguồn năng lượng phân tán trong một thời gian khá dài”.

Rashkin (kỹ sư điện) và Wilson (kỹ sư điều khiển) đã cùng thiết kế phần mềm để điều chỉnh điện của tổ hợp khai thác và xử lý nhiên liệu từ đầu mùa hè năm 2021. Wilson đã so sánh bộ điều khiển của họ với bộ điều khiển hành trình trên một chiếc ô tô tiêu chuẩn ở chỗ nó duy trì một cấp điện áp đồng đều trên lưới, mặc dù các tình huống bên ngoài thay đổi.

Theo Wilson, bộ điều khiển cần có khả năng duy trì mức điện áp đồng đều trên một số khoảng thời gian khác nhau, từ dưới 1/1.000 giây cho tới cả mùa. Ở cấp độ cao nhất của phần mềm điều khiển, trên quy mô từ phút đến mùa, mọi người có thể kiểm soát tấm pin mặt trời nào tạo ra năng lượng và thiết bị sử dụng năng lượng nào được bật. Tuy nhiên, ở mức thấp nhất dưới 1/1.000 giây, bộ điều khiển cần hoạt động nhanh chóng và tự động để duy trì kết quả đầu ra ở mức cần thiết. Rashkin nói rằng họ chủ yếu tập trung vào cấp độ kiểm soát trung gian.

Wilson cho biết: “Mục tiêu của chúng tôi là đưa ra một hệ thống quản lý năng lượng trên Mặt trăng có thể duy trì một cách hiệu quả hệ thống trên tất cả các khoảng thời gian đó. Chúng tôi có cơ sở lưới điện bảo mật có thể mở rộng chuyên biệt và phương pháp thiết kế hệ thống điều khiển để phân tích điều này. Cơ sở này cũng có các trình mô phỏng lưu trữ năng lượng chuyên biệt có thể giúp chúng tôi xác định các thông số kỹ thuật về lượng năng lượng lưu trữ mà cơ sở cần và yêu cầu của chúng”.