Lưới điện vệ tinh: Giải pháp truyền năng lượng toàn cầu dễ dàng giống như truyền dữ liệu

Công ty Emrod của New Zealand cho biết họ có công nghệ cho phép truyền năng lượng không dây hiệu quả từ quỹ đạo. Họ đang đề xuất xây dựng một ma trận năng lượng không dây toàn cầu, hệ thống sẽ phát ngay lập tức năng lượng tái tạo qua vệ tinh giữa hai điểm bất kỳ trên Trái đất.

Emrod vừa trình diễn công nghệ truyền tia điện không dây của mình với Airbus và Cơ quan Vũ trụ Châu Âu (ESA) như một phần trong nỗ lực của ESA nhằm hướng tới cái gọi là “năng lượng mặt trời dựa trên không gian”. Đây là khái niệm thu thập năng lượng mặt trời ngoài vũ trụ và phân phối nó đến Trái Đất.

Ý tưởng về năng lượng mặt trời dựa trên không gian (Space-based solar power hay gọi tắt là SBSP) không phải là mới. Nhưng vấn đề của nó luôn là kích thước, bởi bạn sẽ cần máy phát và máy thu có đường kính khoảng 2 km để chuyển một vài gigawatt năng lượng xuống Trái đất từ quỹ đạo địa tĩnh cách đó khoảng 36.000 km. Xây dựng một hệ thống thu có kích thước như vậy trên Trái đất sẽ là một thách thức lớn. Còn xây dựng một thứ như vậy trong không gian gần như là điều không thể, với công nghệ hiện tại của con người.

Emrod cho biết chùm năng lượng trường gần của nó có thể hoàn thành công việc hiệu quả hơn nhiều so với các công nghệ cạnh tranh khác. Nhưng người sáng lập Emrod, Greg Kushnir, còn cho rằng có một cách rẻ hơn và dễ dàng hơn nhiều để đáp ứng nhu cầu năng lượng tái tạo của Châu Âu và rộng hơn nữa là toàn cầu. Đó là giải pháp thiết lập một ma trận năng lượng không dây toàn cầu, hệ thống có khả năng phát tia điện ngay lập tức xung quanh hành tinh, bằng cách sử dụng các vệ tinh quỹ đạo thấp hơn.

Năm 2016, một ý tưởng về siêu lưới điện toàn cầu đã được đề xuất, hoạt động dựa trên một mạng lưới hàng chục nghìn km đường dây điện siêu cao áp cả trên mặt đất lẫn dưới đáy biển. Còn khái niệm “Ma trận Năng lượng Toàn cầu” của Emrod sẽ cần ít cơ sở hạ tầng hơn, hoặc ít nhất là thay thế chúng bằng những hệ thống trên quỹ đạo. Và sau đó, nếu bạn xây dựng một hệ thống tấm năng lượng mặt trời khổng lồ trên sa mạc Sahara ở Libya, thì ngay khi mặt trời giữa trưa tạo ra công suất cực đại cho hệ thống, bạn có thể truyền năng lượng đó tới tận Thượng Hải khi mặt trời bắt đầu lặn.

Công ty này đã triển khai thử nghiệm các mẫu thiết kế nhỏ, đó là các nguyên mẫu ăng ten thu và phát hình vuông có đường kính 1,92 m. Trong cuộc trình diễn của ESA, thiết bị này đã gửi một số năng lượng sạch từ bên này sang bên kia của nhà kho để máy bay Airbus có khoảng cách 36 mét.

Nhưng với sự hậu thuẫn của công ty năng lượng NZ Powerco, nó đã được chứng minh có khả năng hoạt động tương tự ở độ cao ít nhất 200 mét ngoài trời và công ty cho biết nó đã sẵn sàng để triển khai thương mại trên những khoảng cách xa hơn.

Trong lịch sử, một mạng lưới năng lượng không dây toàn cầu đã được Nikola Tesla đề xuất vào khoảng một thế kỷ trước. Nhưng ý tưởng này đã bị chủ của ngân hàng JP Morgan phủ nhận bằng một câu hỏi: "Nếu ai đó có thể sử dụng điện, chúng tôi đặt đồng hồ đo ở đâu?".

Nhưng với công nghệ ngày nay, câu hỏi đã có vô vàng cách để giải quyết một cách đơn giản và chính xác.

"Công nghệ đã ở đây", Kushnir nói. "Nó đã được phát triển, nó đang bắt đầu được triển khai. Trong vài tháng qua, có vẻ như ngành công nghiệp đã bắt kịp với tầm nhìn của chúng tôi và bắt đầu chi ngân sách và đội ngũ vào việc này. Nhưng chúng tôi có một khởi đầu thuận lợi, chúng tôi đã bắt đầu điều này trước những người khác ba năm."

"Vấn đề là, tất cả các đội khác xem tia điện như một hệ thống thông tin liên lạc trường xa. Và với các hệ thống trường xa, bạn thường mất đi 15-20% năng lượng. Và khi chùm tia bắt đầu phân kỳ, bạn sẽ cần một ăng-ten khổng lồ ở bất cứ nơi nào bạn muốn năng lượng. Vì vậy, chi phí/lợi ích của những nghiên cứu này luôn trông không thực tế”, ông nói tiếp.

"Chúng tôi không làm việc với hệ thống trường xa, mà sử dụng hệ thống trường gần. Nhân tiện, gần và xa không có quá nhiều khác biệt khi nói về việc tập trung chùm tia và thu nó ở giai đoạn nào. Chúng tôi tạo ra một chùm tia chuẩn trực với một mảng phân kỳ. Nó di chuyển khá giống như trong một sợi dây ảo, được xác định rất rõ ràng, không có thất thoát. Và chúng tôi thu nó ở trường gần, hoặc vùng Fresnel theo cách nói chính xác hơn. Trong lần trình diễn cách đây vài ngày, chúng tôi đã chứng minh hiệu quả thu thập chùm tia trên 95%. Chúng tôi biết cách đưa hiệu suất vào khoảng 99%. Ngoài ra, chúng tôi có thể làm cho ăng-ten của mình nhỏ hơn nhiều.”

Tất nhiên, để “Ma trận Năng lượng Toàn cầu” hoạt động, chúng ta sẽ cần một loạt các cấu trúc được xây dựng trong không gian. Các mảng ăng ten vệ tinh này sẽ hoạt động ít nhiều giống như thấu kính, thu lấy một chùm năng lượng từ mặt đất, bẻ cong và tái tập trung để gửi nó đến một điểm khác, hoặc bắn thẳng trở lại mặt đất hoặc bắn qua một vệ tinh khác. Mặc dù những thứ này có thể nhỏ hơn mức kỳ vọng trước đây, nhưng chúng vẫn sẽ khá lớn. Kích thước sẽ phụ thuộc vào khoảng cách, và khoảng cách sẽ ảnh hưởng đến số lượng vệ tinh bạn cần trong chùm vệ tinh của mình và đây sẽ chỉ là một vài yếu tố trong một phương trình phức tạp về tính khả thi và vấn đề chi phí - lợi ích.

Ví dụ, nếu một ăng-ten được đặt trên quỹ đạo cách mặt đất 400-500 km, nó cần phải có cùng kích thước với cấu trúc 108 m của Trạm vũ trụ quốc tế, quay quanh cùng độ cao. Nó tất nhiên sẽ ít phức tạp và tốn kém hơn nhiều so với hệ thống trị giá hàng trăm tỷ USD đó, nhưng nó vẫn yêu cầu một quá trình lắp ráp trong không gian, và đây sẽ là một thách thức không nhỏ.

Emrod đang xem xét một đề xuất khác sẽ đặt vệ tinh ở những quỹ đạo thấp hơn, cách mặt đất gần 100 km. Khi đó, những vệ tinh chỉ cần có chiều ngang 30-40 m và do đó sẽ rẻ hơn nhiều để chế tạo và phóng lên. Nhưng chúng sẽ không truyền năng lượng đi xa khắp địa cầu, và chúng sẽ di chuyển nhanh và gần Trái đất đến mức sẽ có ma sát không khí đáng kể, và đó lại là một bài toán khác. Kushnir cho biết công ty đang nói chuyện với một số công ty hàng không vũ trụ, hy vọng sẽ có hệ thống thử nghiệm đầu tiên trên quỹ đạo trong vòng 3 năm tới.

Tuy nhiên, theo ông, vấn đề lớn nhất ở giai đoạn này không phải là công nghệ hay thậm chí là kinh tế. Mà đó là vấn đề nhận thức của công chúng.

"Vì một số lý do", ông nói, "có một khoảng cách nhận thức đối với mọi người. Không có vấn đề gì khi họ tin rằng có thể nhấc điện thoại - sử dụng sóng điện từ được gửi qua vệ tinh - để liên lạc với mọi người trên khắp thế giới và gửi thông tin. Nhưng thật khó để mọi người chấp nhận việc có thể làm điều tương tự với năng lượng, dù về mặt vật lý, nó không khác biệt lắm.”

Theo ông, công ty sẽ cần làm nhiều điều để chứng minh công nghệ của mình, trước khi một vài hệ thống đầu tiên được triển khai thương mại.

Kushnir cho biết công ty ông cũng đang ở giai đoạn đầu của quá trình phát triển một loại "da năng lượng", thứ có thể biến toàn bộ thân máy bay thành một dải ăng-ten góc rộng có khả năng nhận năng lượng trong suốt chuyến bay, từ các máy phát trên không gian hoặc trên đất liền. Một điều như vậy hoàn toàn có thể bỏ qua các vấn đề lưu trữ năng lượng đang khiến các hãng hàng không bị hãm lại, tất nhiên đó là nếu Emrod có thể chứng minh với các nhà chức trách hàng không rằng nó an toàn.

Vấn đề quan trọng khác mà Kushnir lo lắng là tình hình chính trị toàn cầu. Bởi ông cho rằng đây sẽ là cơ sở hạ tầng năng lượng cấp độ tiếp theo, và nó sẽ sớm được chính trị hóa cao độ, giống như GPS, điện toán lượng tử hoặc bất kỳ công nghệ đột phá nào khác.

Tham khảo NewAtlas, Emrod