Tấm pin mặt trời ngoài không gian với khả năng thu và bắn năng lượng xuống bất kỳ đâu trên Trái đất

Các nhà khoa học làm việc cho Lầu Năm Góc đã thử nghiệm thành công một tấm pin mặt trời ngoài không gian, có kích cỡ tương đương một hộp bánh pizza, được thiết kế để làm nguyên mẫu cho một hệ thống có khả năng chuyển điện từ không gian đến bất kỳ điểm nào trên Trái đất trong tương lai.

Tấm pin này – được đặt tên là Photovoltaic Radiofrequency Antenna Module (PRAM) – lần đầu được phóng lên không gian vào tháng 5/2020, gắn vào drone không người lái X-37B của Lầu Năm Góc, nhằm biến ánh sáng Mặt trời thành điện năng. Drone này hiện đang bay quanh Trái đất và hoàn thành một vòng quỹ đạo sau mỗi 90 phút.

Tấm pin nói trên được thiết kế để tận dụng tối đa ánh sáng trong không gian, vốn không đi qua được bầu khí quyển Trái đất, và do đó vẫn giữ nguyên năng lượng của bước sóng xanh dương, khiến nó mạnh hơn nhiều so với ánh sáng mặt trời đi xuống bề mặt Trái đất. Ánh sáng xanh dương sẽ khuếch tán khi đi vào bầu khí quyển, giải thích cho hiện tượng bầu trời có màu xanh dương mà chúng ta vẫn thường thấy.

PRAM nằm trong một buồng chân không trong quá trình thử nghiệm trên Trái đất

“Chúng tôi thu được thêm một lượng lớn ánh sáng mặt trời trong không gian vì điều đó” – Paul Jaffe, đồng phát triển dự án, cho biết.

Những thử nghiệm mới nhất đã cho thấy tấm pin kích cỡ 12×12-inch có khả năng sản xuất ra khoảng 10 watt năng lượng để truyền tải xuống Trái đất. Đó là lượng điện vừa đủ cho một chiếc máy tính bảng hoạt động.

Nhưng dự án này có đến hàng chục tấm pin, và nếu được nhân lên nữa, thành công của nó sẽ cách mạng hoá quy trình sản xuất lẫn phân phối điện năng đến mọi ngóc ngách xa xôi của địa cầu. Nó có thể góp phần tạo nên mạng lưới điện lớn nhất hành tình – Jaffe nói.

“Tầm nhìn của chúng tôi là tạo nên hệ thống điện mặt trời trên không gian ngang ngửa hoặc vượt trội so với những nhà máy điện lớn nhất hiện nay – công suất có thể đạt nhiều gigawatts – quá đủ cho một thành phố” – ông nói tiếp.

Cần nói rõ là tấm pin này vẫn chưa thực sự chuyển điện trực tiếp về Trái đất, nhưng công nghệ bên trong nó đã được chứng minh là có hiệu quả. Nếu dự án này phát triển thành những hệ thống ăng-ten mặt trời trên không gian rộng hàng kilomet, nó có thể bắn những loạt sóng cực ngắn mà về sau sẽ được chuyển đổi thành điện sạch đến bất kỳ phần nào của hành tinh trong chớp mắt.

“Ưu thế đặc biệt của các vệ tinh điện mặt trời so với bất kỳ nguồn điện nào khác là khả năng truyền tải toàn cầu” – Jaffe nói. “Bạn có thể gửi điện đến Chicago và một tích tắc sau đó, nếu cần thiết, là gửi nó đến London hay Brasil”

Nhưng theo Jaffe, có một vấn đề cần được cân nhắc: tính hiệu quả về kinh tế. “Xây dựng phần cứng không gian là việc đắt đỏ. Và những chi phí đó, trong vòng 10 năm qua, cuối cùng cũng đã bắt đầu giảm bớt” – ông cho biết.

Có một số lợi thế đối với việc xây dựng trong không gian. “Trên Trái đất, chúng ta có trọng lực, rất hữu ích trong việc giữ mọi thứ ở đúng vị trí của nó, nhưng lại là vấn đề khi bạn bắt đầu xây dựng những thứ rất to lớn, bởi chúng phải đảm đương được khối lượng của chính mình” – Jaffe nói.

Chris DePuma đang chỉ đạo dự án PRAM tại Washington được, tháng 10/2019

Sứ mệnh của tàu con thoi X-37B do Mỹ phóng lên vẫn nằm trong vòng bí mật; thử nghiệm PRAM là một trong rất ít những chi tiết được tiết lộ liên quan mục đích của nó. Hồi tháng 1, Jaffe và đồng lãnh đạo PRAM là Chris DePuma, đã công bố những kết quả đầu tiên về thử nghiệm trên Tạp chí Sóng cực ngắn IEEE, rằng “thử nghiệm đang có hiệu quả” – Jaffe nói.

Dự án được tài trợ và phát triển bởi Lầu Năm Góc, Quỹ OECIF, và Phòng Thí nghiệm Nghiên cứu Hải quân Mỹ ở Washington DC.

Một giải pháp đối phó với thảm hoạ tự nhiên

Mức nhiệt độ mà PRAM hoạt động được là điểm mấu chốt trong dự án. Các thiết bị điện tử càng lạnh càng hiệu quả – Jaffe nói – khả năng sản sinh ra điện khi nóng lên sẽ giảm đi. Quỹ đạo hạ Trái đất của X-37B đồng nghĩa nó sẽ mất khoảng 45 phút bay trong bóng tối, và do đó sẽ rơi vào trạng thái lạnh.

Các phiên bản tương lai của PRAM sẽ được đưa lên một quỹ đạo địa tĩnh, có nghĩa là một vòng quay mất khoảng 1 ngày, trong đó thiết bị sẽ chủ yếu bay trong ánh sáng mặt trời trong quá trình đi ra xa hơn nữa khỏi Trái đất.

Thử nghiệm đã sử dụng các thiết bị làm nóng để thử giữ PRAM ở nhiệt độ ấm liên tục, nhằm chứng minh tính hiệu quả của nó nếu bay cách Trái đất 36.000km.

Và kết quả là mọi thứ hoạt động đúng ý đồ các nhà nghiên cứu. “Bước tiến hợp lý tiếp theo là nhân nó lên một khu vực rộng hơn, có thể thu thập thêm nhiều ánh sáng mặt trời hơn, từ đó chuyển đổi được nhiều ánh sáng thành các loại sóng cực ngắn hơn.”

Buồng chân không cho phép thử nghiệm PRAM trong môi trường tương tự trong không gian

Hơn thế nữa, các nhà khoa học sẽ phải thử nghiệm quá trình gửi điện trở lại Trái đất. Các tấm nền sẽ phải biết chính xác đâu là vị trí để gửi các sóng cực ngắn – đồng thời giảm thiểu tỉ lệ bắn nhầm mục tiêu – thông qua một kỹ thuật gọi là “kiểm soát tia định hướng lùi”. Kỹ thuật này sẽ gửi một tín hiệu dẫn đường từ ăng-ten đích trên Trái đất đến các tấm nền trong không gian.

Các tia sóng cực ngắn sẽ chỉ được truyền tải một khi đã nhận được tín hiệu dẫn đường, có nghĩa là thiết bị nhận tín hiệu đã nằm đúng vị trí ngay bên dưới mặt đất và trong trạng thái sẵn sàng. Các sóng cực ngắn – có thể dễ dàng được chuyển thành điện trên Trái đất – có thể được gửi đi từ bất kỳ điểm nào trên hành tinh miễn là nơi đó có thiết bị nhận tín hiệu, theo lời Jaffe.

Ông cũng trấn an mọi người về những nỗi lo sợ kẻ xấu có thể sử dụng công nghệ để tạo nên một khẩu súng laser không gian khổng lồ. Kích cỡ ăng-ten cần thiết để điều hướng năng lượng nhằm tạo nên một tia huỷ diệt sẽ phải rất lớn, thu hút sự chú ý trong suốt quá trình nó được lắp ráp. “Điều đó sẽ cực kỳ khó khăn, nếu không muốn nói là bất khả thi” – ông nói về việc vũ khí hoá năng lượng mặt trời từ không gian như vậy.

DePuma nói rằng công nghệ này, nếu được đưa vào sử dụng, sẽ có ứng dụng lớn trong đối phó với những thảm hoạ tự nhiên khi mà hạ tầng thông thường có thể bị phá huỷ. “Gia đình tôi sống ở Texas và họ hiện đang sống thiếu điện giữa một trận bão tuyết bởi mạng lưới đã bị quá tải” – DePuma nói.

“Do đó nếu bạn có một hệ thống như thế này, bạn có thể điều hướng điện từ trên không trung, và bà nội tôi sẽ có thể ấm áp trong ngôi nhà của mình một lần nữa”