Truyền năng lượng từ không gian về Trái đất, bước tiến của nhân loại

Thước đo các nền văn minh trong vũ trụ

Trong khoa học vũ trụ, thang Kardashev là một phương pháp đo mức phát triển của một nền văn minh. Dù mang tính lý thuyết, nhưng thang Kardashev đã miêu tả một hướng đi của văn minh gắn liền với việc sử dụng năng lượng.

Theo đó, nền văn minh vũ trụ cơ bản được chia thành 3 cấp. Văn minh cấp độ I là có khả năng khai thác và sử dụng tài nguyên năng lượng trong một hành tinh. Nền văn minh cấp độ II là có khả năng khai thác và sử dụng năng lượng tài nguyên năng lượng trong một ngôi sao (như Mặt trời của chúng ta) hoặc các vật thể khác trong hệ mặt trời.

Nền văn minh cấp độ III thì siêu việt hơn nhiều, khi một nền văn minh có khả năng khai thác và sử dụng năng lượng của cả một thiên hà, giống như trong các bộ phim viễn tưởng về cuộc chiến giữa các vì sao hay giữa các thiên hà.

Như vậy, nếu đối chiếu vào 3 nấc thang nói trên, nền văn minh nhân loại đang ở cấp độ I, khi mới chỉ khai thác được năng lượng có sẵn trong hoặc trên bề mặt Trái đất. Nhưng các bước tiến mới của khoa học không gian và vũ trụ cho thấy chúng ta đang bắt đầu hướng tới nền văn minh vũ trụ cấp độ II, khi đã lên kế hoạch khai thác năng lượng hoặc các nguồn tài nguyên khác từ các vật thể ngoài không gian.

Và trong năm nay, nhóm nghiên cứu của giáo sư kỹ thuật điện Ali Hajimir ở Viện Công nghệ California (thường gọi là Caltech, ở bang California, Mỹ) đã tiến thêm một bước đến gần hơn với kế hoạch sản xuất điện mặt trời trong vũ trụ và truyền về Trái đất, một bước đi nhỏ nhưng nếu thành công sẽ cho thấy nhân loại có thể tiến vào nền văn minh vũ trụ cấp độ II.

Lấy năng lượng từ không gian bằng cách nào?

Giáo sư kỹ thuật điện Hajimir đã dành một thập kỷ để nghiên cứu cách đưa pin quang năng vào không gian và truyền năng lượng về Trái đất. Hồi tháng 1 năm nay, nhóm nghiên cứu của ông đã phóng Maple, một nguyên mẫu năng lượng mặt trời không gian dài 30 cm được trang bị bộ truyền phát siêu nhẹ và linh hoạt. Mục đích của máy phát này nhằm thu năng lượng từ Mặt trời và truyền không dây vào trong không gian. Kết quả, lượng điện nhóm nghiên cứu thu được đủ để thắp sáng một cặp đèn LED.

Tuy nhiên, các nhà nghiên cứu đặt mục tiêu dài hạn là xem liệu Maple có thể truyền năng lượng này xuống Trái đất được hay không. Hồi tháng 5, nhóm nghiên cứu quyết định tiến hành một thử nghiệm để xem điều gì sẽ xảy ra. Trên sân thượng của khuôn viên Caltech ở thành phố Pasadena (bang California, Mỹ), Hajimiri và các nhà khoa học khác đã bắt được tín hiệu của Maple. Tuy lượng năng lượng được phát hiện quá nhỏ để sử dụng, nhưng họ vẫn thành công trong việc truyền năng lượng không dây từ vũ trụ xuống. 

Thực tế, ý tưởng sản xuất điện mặt trời trong vũ trụ đã xuất hiện từ năm 1941, khi nhà văn khoa học viễn tưởng Isaac Asimov mô tả về nó trong một truyện ngắn. Trong nhiều thập kỷ kể từ đó, các quốc gia bao gồm Mỹ, Trung Quốc và Nhật Bản đã khám phá ý tưởng này nhưng dần bỏ cuộc sau nhiều năm. 

Về cốt lõi, sản xuất điện mặt trời trong vũ trụ nghĩa là con người từ Trái đất có thể khai thác năng lượng khổng lồ của Mặt trời trong không gian, nơi ánh sáng thường xuyên sẵn có, không bị ảnh hưởng bởi thời tiết xấu như mây che phủ, thời gian ban đêm hay các mùa.

Có nhiều ý tưởng khác nhau nhằm thực hiện việc này, nhưng phương pháp hoạt động đại khái như sau: Các vệ tinh lắp pin quang năng có đường kính dài hơn 1,6 km sẽ được phóng lên quỹ đạo ở độ cao lớn. Do kích thước đồ sộ, các vệ tinh sẽ được tạo thành từ hàng trăm nghìn mô – đun nhỏ hơn. Những cỗ máy robot tự động sau đó sẽ xử lý việc lắp ráp các vệ tinh trong không gian như việc “xếp những viên gạch lego”, theo ông Martin Soltau, Giám đốc điều hành của công ty Space Solar có trụ sở tại Anh giải thích.

Pin quang năng của vệ tinh sẽ thu năng lượng mặt trời, chuyển nó thành vi sóng và truyền không dây xuống Trái đất thông qua một máy phát rất lớn, có thể chạm tới các điểm cụ thể trên mặt đất một cách chính xác. Theo ông Soltau, vi sóng có thể dễ dàng xuyên qua những đám mây và thời tiết xấu, hướng đến ăng – ten thu sóng làm bằng lưới trên Trái đất. Tại đây, vi sóng sẽ được chuyển đổi thành điện và đưa vào lưới điện. 

Với đường kính khoảng 6 km, ăng – ten thu nhận có thể được xây dựng trên đất liền hoặc ngoài khơi. Do những cấu trúc lưới này gần như trong suốt nên phần đất bên dưới chúng có thể được tận dụng làm pin mặt trời, trang trại hoặc các hoạt động khác. 

Tiềm năng to lớn và những thách thức khổng lồ

Theo ước tính của các nhà khoa học, một vệ tinh thu thập năng lượng mặt trời trong vũ trụ có thể cung cấp tới 2 gigawatt điện, gần bằng công suất của hai nhà máy điện hạt nhân trung bình ở Mỹ.

Tuy nhiên, công nghệ này đối mặt với một rào cản lớn là chi phí lắp đặt nhà máy điện trên quỹ đạo rất tốn kém. Underwood, Giáo sư người Anh, nói với CNN rằng công nghệ điện trong không gian “không phải là khoa học viễn tưởng”, tuy nhiên, trở ngại lớn nhất là chi phí khổng lồ để đưa một nhà máy điện vào quỹ đạo.

Dẫu vậy, trong thập kỷ qua, điều đó đã bắt đầu thay đổi khi các công ty hàng không vũ trụ như SpaceX và Blue Origin bắt đầu phát triển tên lửa có thể tái sử dụng. Chi phí phóng ngày nay vào khoảng 1.500 USD/kg, thấp hơn khoảng 30 lần so với thời kỳ tàu con thoi đầu những năm 1980.

Nếu thử nghiệm thành công, ý tưởng sản xuất điện mặt trời trong không gian có thể cung cấp nguồn năng lượng dồi dào cho các nước phát triển có nhu cầu điện lớn nhưng thiếu cơ sở hạ tầng. Bên cạnh đó, nguồn điện này cũng có thể phục vụ nhiều thị trấn và ngôi làng hẻo lánh ở Bắc Cực chìm trong bóng tối hoàn toàn hàng tháng trời mỗi năm, cũng như hỗ trợ cộng đồng bị mất điện do thiên tai hoặc xung đột.

Mặc dù vẫn còn khoảng cách lớn giữa ý tưởng và việc thương mại hóa, nhưng nhiều quốc gia và công ty trên toàn cầu vẫn đặt niềm tin rằng điện mặt trời trong không gian có thể đáp ứng nhu cầu điện sạch ngày càng tăng, đồng thời giúp đối phó với tình trạng khủng hoảng khí hậu đang ngày càng trầm trọng hiện nay.  

Vào tháng 5/2020, Phòng thí nghiệm Nghiên cứu Hải quân Mỹ cũng từng phóng một mô-đun trên phương tiện thử nghiệm quỹ đạo nhằm kiểm tra phần cứng sản xuất điện mặt trời trong điều kiện không gian. Ngoài ra, Phòng thí nghiệm Nghiên cứu Không quân Mỹ cũng lên kế hoạch phóng thiết bị thử nghiệm nhỏ mang tên Arachne vào năm 2025. Viện Hàn lâm Công nghệ vũ trụ Trung Quốc cũng đặt mục tiêu phóng một vệ tinh pin quang năng lên quỹ đạo thấp năm 2028 và quỹ đạo cao vào năm 2030.

Bên cạnh đó, Liên minh châu Âu cũng phát triển chương trình Solaris để xác định độ khả thi về mặt kỹ thuật của điện mặt trời trong không gian. Trong khi đó, Vương quốc Anh từng tiến hành một nghiên cứu độc lập và đưa ra kết luận rằng sản xuất điện mặt trời trong không gian khả thi về mặt kỹ thuật, với những thiết kế như vệ tinh CASSIOPeiA (dài 1,7 km, có thể cung cấp 2 gigawatt điện). 

Về nhóm nghiên cứu của Hajimiri ở bang California, ông và các cộng sự đã dành nửa năm qua để kiểm tra áp lực nguyên mẫu nhằm thu thập dữ liệu cho thế hệ thiết kế tiếp theo. Theo đó, mục tiêu cuối cùng của Hajimiri là một loạt cánh buồm nhẹ, linh hoạt có thể cuộn lại, phóng và mở ra trong không gian với hàng tỷ bộ phận hoạt động đồng bộ hóa hoàn hảo để truyền năng lượng đến nơi cần thiết.