6. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
3.2.2 tưởng và những thử nghiệm về thu và truyền tải năng lượng Mặt Trời từ
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.