6. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
3.2. Tia laser giúp truyền tải năng lượng Mặt Trời từ vũ trụ về Trái Đất
3.2.1 Vai trò của nguồn năng lượng Mặt Trời
Trái Đất nhận được 174 petawatts (PW) ( 1 petawatts = 1015
watts) của bức xạ Mặt Trời chiếu ở phía trên không khí. Khoảng 30% được phản xạ trở lại không gian trong khi phần còn lại được hấp thụ bởi các đám mây, đại dương và vùng đất. Tổng số năng lượng Mặt Trời được hấp thụ bởi bầu khí quyển, đại dương của Trái Đất và vùng đất là khoảng 3.850.000 exajoules (EJ) (1exajoules = 1018 joules) mỗi năm.Trên Trái Đất, Mặt Trời chỉ chiếu sáng nửa ngày, còn lại là ban đêm, nên chúng ta không thể thu được năng lượng từ Mặt Trời 24/24h. Thế nhưng, năng lượng Mặt Trời trong không gian thì không thay đổi suốt 24 giờ.
Năng lượng Mặt Trời là nguồn năng lượng sạch nhất và vô hạn nhất trong các nguồn năng lượng mà chúng ta được biết. Bức xạ Mặt Trời là sức nóng, ánh sáng dưới dạng các chùm tia do Mặt Trời phát ra trong quá trình tự đốt cháy mình. Bức xạ Mặt Trời chứa đựng một nguồn năng lượng khổng lồ và là nguồn gốc của mọi quá trình tự nhiên trên Trái Đất. Năng lượng của Mặt Trời dù rất rồi dào nhưng việc khai thác hiệu quả nguồn năng lượng này thì vẫn còn là một câu chuyện dài.
Năng lượng Mặt Trời có thể chia làm 2 loại cơ bản: Nhiệt năng và Quang năng. Các tế bào quang điện (Photovoltaic cells - PV) sử dụng công nghệ bán dẫn để chuyển hóa trực tiếp năng lượng quang học thành dòng điện, hoặc tích trữ vào pin, ắc quy để sử dụng sau đó. Các tấm tế bào quang điện hay còn gọi là pin Mặt Trời hiện đang được sử dụng
rộng rãi vì chúng rất dễ chuyển đổi và dễ dàng lắp đặt trên các tòa nhà và các cấu trúc khác. Pin Mặt Trời có thể cung cấp nguồn năng lượng sạch và tái tạo, do vậy là một nguồn bổ sung cho nguồn cung cấp điện chính thông thường. Tại các vùng chưa có điện lưới như các cộng đồng dân cư ở xa, nông thôn, hải đảo, các trường hợp khẩn cấp,... pin Mặt Trời có thể cung cấp một nguồn điện đáng tin cậy. Điều bất cập duy nhất là giá thành của pin Mặt Trời đến nay còn cao và tỷ lệ chuyển đổi năng lượng chưa thật sự cao (13- 15%). Trái lại sức nóng của Mặt Trời có hiệu suất chuyển đổi lớn gấp 4-5 lần hiệu suất của quang điện, và do vậy đơn giá của một đơn vị năng lượng được tạo ra rẻ hơn rất nhiều.
Nhiệt năng có thể được sử dụng để sưởi nóng các tòa nhà một cách thụ động thông qua việc sử dụng một số vật liệu hoặc thiết kế kiến trúc, hoặc được sử dụng trực tiếp để đun nóng nước phục vụ cho sinh hoạt. Ở rất nhiều khu vực khác nhau trên thế giới thiết bị đun nước nóng dùng năng lượng Mặt Trời (bình nước nóng năng lượng Mặt Trời) hiện đang là một sự bổ sung quan trọng hay một sự lựa chọn thay thế cho các thiết bị cung cấp nước nóng thông thường dùng điện hoặc gaz.
Hiện nay, theo nghiên cứu của một nhóm các nhà khoa học quốc tế thì xây dựng nhà máy điện Mặt Trời trên quỹ đạo Trái Đất sẽ là phương án hiệu quả và tiết kiệm nhất trong vòng 30 năm tới. Theo Reuters, những nghiên cứu trong phòng thí nghiệm công nghệ truyền tải điện này có thể sẽ thành hiện thực trong vòng 1 hoặc 2 thập kỷ tới. Điều này đồng nghĩa nhà máy điện Mặt Trời trên quỹ đạo Trái Đất sẽ trở thành hiện thực trong vòng 30 năm nữa hoặc sớm hơn.
3.2.2 Ý tưởng và những thử nghiệm về thu và truyền tải năng lượng Mặt Trời từ vũ trụ về Trái Đất trụ về Trái Đất
Các nhà khoa học có ý tưởng đầu tiên là đặt một, sau đó là một vài và hàng chục vệ tinh thu năng lượng Mặt Trời tại quỹ đạo địa tĩnh phía trên xích đạo. Mỗi vệ tinh rộng vài km và có thể thu ánh sáng Mặt Trời tới 24 giờ mỗi ngày, hiệu quả gấp đôi so với các bản thu năng lượng Mặt Trời đang được sử dụng để biến ánh sáng Mặt Trời thành điện năng. Năng lượng sẽ được biến đổi thành điện năng ngay trên vệ tinh và sau đó truyền về Trái Đất thông qua một hệ thống ăngten truyền vi sóng rất lớn hoặc bằng tia laser, trước khi hòa vào mạng lưới điện.
Bộ Năng lượng Mỹ và NASA cùng nhiều nhà khoa học khác đã nghiên cứu ý tưởng khai thác năng lượng Mặt Trời từ vũ trụ trong 40 năm qua. Trong tháng 9/2011, các nhà phân tích an ninh quốc gia, chính sách và doanh nghiệp của Mỹ và Ấn Độ đã kêu gọi thực hiện một nghiên cứu khả thi chung giữa Mỹ và Ấn Độ về một chương trình hợp tác phát triển trạm năng lượng Mặt Trời trên vũ trụ với mục tiêu đưa vào ứng dụng thương mại trong hai thập kỷ tới. Nhóm nghiên cứu được đồng tài trợ bởi nhóm chuyên gia tư vấn độc lập của Hội đồng Quan hệ Ngoại giao và Viện Nghiên cứu Aspen của Ấn Độ.
Nhà máy điện năng lượng Mặt Trời trên quỹ đạo Trái Đất hấp thu tối đa năng lượng từ Mặt Trời và truyền điện về Trái Đất bằng hệ thống truyền tải điện không dây.
Hình 3.2: Mô hình nhà máy điện Mặt Trời trong không gian.
Để dự án này thành hiện thực, các nhà khoa học cho rằng chính phủ các nước cần hợp các với các đơn vị tư nhân trong đầu tư nghiên cứu tìm ra mô hình thích hợp nhất. Đây sẽ là giải pháp hữu hiệu giúp loài người giảm phụ thuộc vào nhiên liệu hóa thạch như hiện nay.
Về phía Nhật Bản, Cơ quan thám hiểm vũ trụ Nhật (JAXA) đang phát triển một vệ tinh thu thập ánh sáng Mặt Trời trong vũ trụ và gửi xuống mặt đất qua tia laser. Chùm tia laser thu được ban đầu có đường kính là 1m. Trên đường đi xuống trái đất, dưới điều kiện lý tưởng, chúng sẽ tỏa ra thành đường kính 50m. Tuy nhiên, do trên đường đi chúng có thể gặp nhiều yếu tố gây nhiễu như mây, mưa nên vì lý do an toàn, các nhà khoa học dự tính sẽ xây dựng trạm tiếp nhận có đường kính từ 100 đến 200m trên mặt biển. Mặc dù chùm tia laser này có cường độ chỉ bằng một phần triệu của các vũ khí laser, nhưng người ta vẫn cần đề phòng vì các nguy hiểm có thể có cho con người vẫn chưa được nghiên cứu đầy đủ.
Hình 3.3: Mô hình vệ tinh sử dụng sóng vi ba để tải điện từ không gian của JAXA - Ảnh: TTO/JAXA
Trong một loạt thí nghiệm đã được tiến hành vào tháng 2.2008, tại Công viên vũ trụ Taiki- Hokkaido (Nhật Bản), các nhà khoa học đã dùng anten đường kính 2,4 m để gửi chùm sóng vi ba từ độ cao 50 m đến rectenna nhằm biến đổi năng lượng vi ba thành điện và cung cấp đến hộ dân. JAXA muốn xây dựng thử nghiệm một trạm thu rộng 3 km2, có thể sản xuất 1 GW đủ để cung cấp cho 500.000 hộ dân.
Hình 3.4: Vệ tinh biến ánh sáng mặt trời thành laser và truyền xuống mặt đất
Do nằm trong vùng động đất, nước Nhật đặc biệt quan tâm đến những lựa chọn an toàn khác thay thế cho điện từ những nhà máy hạt nhân. Nhật đã gánh chịu tai họa hạt nhân do động đất và sóng thần tại nhà máy điện hạt nhân lớn nhất thế giới Kashiwazaki-Kariwa .Thử nghiệm đầu tiên với một vệ tinh trên vũ trụ dự định sẽ tiến hành năm 2013. Năm 2030 nhà máy điện vũ trụ thương mại đầu tiên sẽ đi vào hoạt động. Và có thể, nguồn năng lượng sạch này sẽ thay thế được cả năng lượng hạt nhân trong tương lai. Jori, nhà nghiên cứu của JAXA tin rằng nước Nhật có thể lắp đặt khoảng 20 vệ tinh với công suất tổng cộng từ 20 đến 100 gigawatt trong vũ trụ trong vòng 30 năm. Tức khoảng gấp đôi những gì mà 54 lò phản ứng hạt nhân hiện nay đang sản xuất.
Công ty Astrium là công ty nghiên cứu vũ trụ lớn nhất châu Âu đã tiến hành kiểm nghiệm tình trạng truyền dẫn năng lượng thông qua laser trong phòng thí nghiệm. Họ đang cố gắng nâng cao hiệu suất của thiết bị.
Tuy nhiên, Robert Laine, Giám đốc kỹ thuật Astrium phải thừa nhận, chúng tôi đang phải đối mặt với không ít thách thức. Ông cho biết: “Kích thước quá nhỏ khiến công suất của tia laser không đạt như mong muốn. Nếu như tỷ lệ chuyển đổi đạt 80%, chúng tôi coi như đã thành công.”
Tiến sỹ Laine còn cho biết, phải 10 năm tới mới có những kết quả cụ thể: “Cũng giống như những công nghệ khác, nó phải được chứng minh trước khi trở thành một hệ thống vận hành". Nhóm của tiến sĩ Laine đang cố gắng trong vòng 5 năm tới, sẽ hiện thực hóa việc chuyển 10-20kW điện Mặt Trời từ vũ trụ về Trái Đất.
Giám đốc điều hành của Astrium, ông François Auque, nói rằng hệ thống này đang trong giai đoạn thử nghiệm, song cũng nhấn mạnh hãng có thể sớm hoàn thành một hệ thống khả thi nhằm thu và truyền năng lượng từ vũ trụ. Không giống như các nhà máy điện Mặt Trời trên Trái Đất, các thiết bị hấp thu năng lượng Mặt Trời trên quỹ đạo có thể hoạt động cả ngày, không chịu sự tác động của mây, các loại bụi và khí trong khí quyển.
Điều đó có nghĩa là mức năng lượng được các tấm quang điện hấp thu trong khí quyển sẽ lớn hơn nhiều so với các tấm quang điện trên mặt đất. Astrium đã thử nghiệm quá trình truyền năng lượng bằng laser hồng ngoại và nay hãng đang tập trung vào nâng cao độ hiệu quả của hệ thống với hy vọng đạt được 80% hiệu quả trong quá trình chuyển hóa năng lượng hồng ngoại nhận được thành điện năng.
Khái niệm tận dụng năng lượng Mặt Trời trong vũ trụ đã được bàn thảo trong ít nhất 3 thập kỷ qua, song dường như người ta hầu như không thể khắc phục vấn đề về thất thoát năng lượng trong khi truyền về Trái Đất hay vấn đề về chi phí cũng như khó khăn trong việc lắp ráp một khối lượng lớn các tấm thu năng lượng Mặt Trời trong vũ trụ. Tuy nhiên, Astrium không phải là công ty duy nhất sắp biến ý tưởng này thành hiện thực. Từ tháng 9/2009, Nhật Bản cũng đã công bố kế hoạch đến trước năm 2015 sẽ đưa một vệ tinh nhỏ lên quỹ đạo để thu năng lượng Mặt Trời rồi truyền điện về Trái Đất bằng vi sóng.
3.2.3 Cấu tạo của hệ thống
Nhà máy điện năng lượng Mặt Trời trong không gian được thiết kế với hàng trăm vệ tinh năng lượng Mặt Trời bay quanh quỹ đạo Trái Đất. Mỗi vệ tinh có đường kính 1 km và hấp thụ ánh sáng Mặt Trời 24h/ngày (trong khi nhà máy trên mặt đất chỉ hấp thụ khoảng 12h/ngày). Năng lượng Mặt Trời sẽ được chuyển thành điện ngay trên không gian và truyền về Trái Đất bằng một hệ thống sóng vi ba hoặc bằng tia laser trước khi hòa vào lưới điện.
Cụ thể là các chuyên gia sẽ đưa một vệ tinh với nhiều tấm gương hình parabol khổng lồ lên quỹ đạo địa tĩnh cách Trái Đất 36.000 km. Ở độ cao này, vận tốc của vệ tinh sẽ ngang bằng với vận tốc quay của Trái Đất, khiến cho vệ tinh dường như là đứng yên ở trên một điểm cố định. Thách thức lớn nhất trong thời gian qua cho các nhà khoa học là hiệu quả thấp kém của việc biến đổi ánh sáng Mặt Trời sang tia laser. Nhưng hiện nay nhờ vào những tấm ceramic loại mới, có pha thêm crom (để hấp thụ ánh sáng) và
neodymium (để biến đổi ánh sáng Mặt Trời thành laser) nên đã có thể biến đổi khoảng 40% năng lượng thu nhận được.
3.2.4 Ưu điểm, nhược điểm
Hơn 30 năm qua, giới khoa học vẫn thảo luận về khai thác điện Mặt Trời từ trên cao. Dù đây là nguồn năng lượng sạch, từ trên cao, pin quang điện sẽ hấp thụ mạnh hơn (trong vũ trụ, bức xạ Mặt Trời không bị ảnh hưởng bởi mây, bụi hay hiệu ứng lọc khí quyển).
Thế nhưng giới khoa học luôn hoài nghi về giá thành, hiệu suất và tính an toàn của công nghệ này, nhất là ảnh hưởng của sóng vi ba. Tuy nhiên, những tiến bộ công nghệ hiện nay cho thấy, có thể thông qua thiết bị laser hồng ngoại để truyền năng lượng, cho dù có xảy ra sự cố, tia laser cũng không thể “quay chín” người như sóng vi ba. Tuy nhiên, các nhà khoa học lo ngại dự án này có thể gây ảnh hưởng tiêu cực tới hệ sinh thái.
Hiện nay, việc truyền tải năng lượng Mặt Trời đang chịu sự hạn chế bởi kích cỡ của tia laser có thể tạo ra được. Vì vậy, cần thành lập một Ủy ban để đánh giá tính hiệu quả của hệ thống và quá trình này có thể diễn ra trong vòng thập kỷ này.
3.2.5 Tầm quan trọng của phương pháp này
Việc khai thác năng lượng Mặt Trời từ vũ trụ cũng đóng một vai trò cực kỳ quan trọng trong việc đáp ứng nhu cầu năng lượng toàn cầu trong vòng 20 năm tới. Do giá dầu không ngừng leo thang và tốc độ phát triển của kỹ thuật năng lượng Mặt Trời nên ý tưởng này cần phải được nghiên cứu. Theo một báo cáo của Bộ quốc phòng Mỹ, xây dựng nhà máy điện Mặt Trời trên không gian bất luận về phương diện kỹ thuật hay kinh tế đều có thể thực hiện được. Năng lượng do Mặt Trời phóng ra tương đương với 1 ngàn tỷ lần năng lượng tiêu hao hiện tại của toàn cầu. Mark Hopkins, phó chủ tịch hội không gian quốc gia Mỹ nói: “Chúng ta chỉ cần khai thác một phần, thì có thể đáp ứng nhu cầu nguồn năng lượng trước mắt và trong nhiều năm tới của chúng ta”. Công nghệ sản xuất điện mới được đánh giá có hiệu quả gấp 10 lần so với các nhà máy sản xuất điện Mặt Trời đặt trên mặt đất hiện nay. Lí do là, những trạm điện Mặt Trời không bị ảnh hưởng bởi yếu tố mây và ban đêm.
Nhóm nghiên cứu từ Học viện Nghiên cứu Vũ trụ Quốc tế, có trụ sở chính tại Paris, cho biết việc xây dựng những nhà máy năng lượng quay theo quỹ đạo để thu năng lượng Mặt Trời và truyền xuống Trái Đất là phương án khả thi về mặt kỹ thuật trong vòng một, hai thập kỷ tới, dựa trên các công nghệ ứng dụng trong phòng thí nghiệm hiện nay. Trong một báo cáo dài 248 trang của nhóm cho rằng dự án này có thể được đưa vào ứng dụng thương mại trong vòng chưa đầy 30 năm tới. Tiến sĩ John Mankins, chuyên gia của Cơ quan Hàng không Vũ trụ Mỹ (NASA) có thâm niên 25 năm và là cựu Giám đốc phụ trách dự án của cơ quan này, cũng nhận định năng lượng Mặt Trời từ vũ trụ đóng một vai trò cực kỳ quan trọng trong việc đáp ứng nhu cầu năng lượng toàn cầu trong thế kỷ 21.
Báo cáo được xem là đánh giá quốc tế quy mô lớn đầu tiên về các phương thức tiềm năng thu năng lượng Mặt Trời trong vũ trụ và truyền xuống Trái Đất qua hệ thống truyền
năng lượng không dây. Nghiên cứu cho rằng cần tới ngân sách của các Chính phủ, vì đầu tư từ các doanh nghiệp tư nhân khó có thể thúc đẩy dự án phát triển do họ không chắc chắn về hiệu quả kinh tế của các giai đoạn phát triển và ứng dụng công nghệ mới cũng như tiến độ thời gian.
3.3. Đo khoảng cách Trái Đất - Mặt Trăng chính xác tới milimét. 3.3.1 Nguyên tắc đo
Ánh sáng từ trái đất tới mặt trăng bị khí quyển làm nhiễu rất mạnh.Các nhà khoa học Mỹ muốn thực hiện điều này bằng cách phóng những chùm laser từ trái đất lên mặt trăng, rồi để chúng phản hồi trở lại. Dựa vào thời gian đi - về của chùm laser, họ sẽ tính ra chiều dài quãng đường. Thí nghiệm này có thể kiểm chứng lý thuyết của Einstein về trường hấp dẫn.
Ánh sáng laser có tính định hướng nên chùm tia vẫn giữ được độ mảnh của nó trong suốt quá trình lan truyền trên những khoảng cách rất lớn. Chùm laser có công suất chỉ vài watt cũng dễ dàng vượt qua khoảng cách Trái Đất và Mặt Trăng (384.000 km) rồi