Công nghệ về năng lượng mặt trời từ không gian (Kỳ cuối)

Những thách thức, rủi ro và mối quan tâm

Phát triển năng lượng mặt trời từ không gian SBSP rất phức tạp do quy mô và yêu cầu tích hợp của cả hệ thống cấu trúc. Sau khi hoàn thành, vệ tinh năng lượng mặt trời sẽ lớn nhất và nặng nhất được đặt lên trên quỹ đạo. Hiệu suất của tỷ lệ công suất trên khối lượng (kW/kg) là rất quan trọng. Yêu cầu khối lượng hệ thống thấp và khả năng truyền dẫn điện năng từ các tấm quang điện mặt trời trong không gian tới lưới điện.

Công nghệ: SBSP có thể được phát triển mà không cần có đột phá khoa học hoặc công nghệ nào song lại cần có những tiến bộ đáng kể trong nhiều lĩnh vực. Không thể phủ nhận thực tế đây là rào cản lớn nhất để hiện thực hóa ước mơ SBSP. Do kích thước và khối lượng của hệ thống cấu trúc, các thành phần quan trọng phải được xây dựng lắp đạt trên quỹ đạo, tuy nhiên con người chưa bao giờ đến được quỹ đạo Trái đất cao (high Earth orbit-HEO) là quỹ đạo lấy Trái đất làm trung tâm với độ cao ở đỉnh cao hơn quỹ đạo địa tĩnh (35.786 km so với mực nước biển). Một hệ thống cấu trúc tầm cỡ này sẽ yêu cầu được lắp ráp và bảo trì robots trên quỹ đạo. Công nghệ tên lửa đẩy và động cơ đẩy hiện tại khiến việc chuyển cấu trúc từ quỹ đạo thấp hơn lên quỹ đạo cao hơn trở nên khá khó khăn. Các bộ phận cấu thành nhỏ hơn, nhẹ hơn giúp việc xây dựng đơn giản hơn và ít tốn kém hơn. Để bù đắp toàn bộ chi phí và tạo ra lợi nhuận, cần phải xem xét đến thời gian hoạt động của các vệ tinh. Đề xuất này được thúc đẩy bởi hiệu suất thấp của các nhà máy năng lượng mặt trời thông thường, do đó, công nghệ truyền dẫn điện không dây và hiệu quả phải được nâng cao. Đối với việc truyền dẫn điện không dây, hiệu quả là rất quan trọng, bởi vì hiệu suất thấp hơn của các nhà máy năng lượng mặt trời thông thường là động lực thúc đẩy sự phát triển của dự án này. Bên cạnh đó, an ninh mạng là một thách thức bởi do các sự cố phần mềm hiện tại có thể ảnh hưởng đến độ chính xác và hiệu suất hoặc như lỗi phần mềm ngày càng trở nên phổ biến trong những năm gần đây, do đó, chúng là nguyên nhân tiềm ẩn làm giảm độ chính xác cũng như sức mạnh bị thay đổi. Để ngăn chặn các vệ tinh truyền dẫn ở mức năng lượng không an toàn nên hệ thống này phải được xây dựng có tính đến khả năng dự phòng.

Kinh tế: Các yếu tố và khả năng kinh tế hiện tại hoặc dự đoán sẽ ảnh hưởng đến khả năng tồn tại về mặt kinh tế của SBSP. Về mặt lâu dài, chi phí của dự án sẽ là trở ngại lớn nhất đối với nguồn tài chính của dự án. Về mặt lý thuyết, năng lượng mặt trời tiềm năng trong không gian đã không khả thi về mặt thương mại trong nhiều thập kỷ. Hai yếu tố công nghệ đang thúc đẩy những cải tiến về năng lượng mặt trời từ không gian: Giảm thiểu đáng kể chi phí phóng vật thể (tên lửa, vệ tinh…) vào không gian và giá các thành phần cấu trúc không gian rẻ hơn nhờ những đổi mới sáng tạo trong sản xuất. Tuy nhiên, tổng chi phí hiện vẫn còn khá cao và cần phải nỗ lực để cắt giảm chi phí xuống. Ngoài ra, cần nghiên cứu rộng rãi chi phí năng lượng quy dẫn (LCOE) so với các công nghệ tái tạo khác khi mà các đặc điểm công nghiệp của dự án có thể có tác động đáng kể đến tính khả thi về mặt kinh tế của nó.

Chính trị: Dự án phát triển trên sẽ được thúc đẩy bởi cả chính trị của từng nước và toàn cầu. Ở mỗi nước, việc tích hợp với các chính sách năng lượng và cơ sở hạ tầng hiện có sẽ rất khó khăn bởi vì dự án sẽ mất nhiều thập kỷ để hoàn thành và đem lại kết quả nên thời gian phát triển cần được lên kế hoạch cẩn thận. Các trạm thu trên mặt đất, đặc biệt là các trạm thu trực tiếp sẽ cần một diện tích đất lớn và phải được quy hoạch một cách tỉ mỉ. Dự án cũng đòi hỏi phải có không gian và an ninh đất đai. Bằng cách chia sẻ chi phí và lợi ích, hợp tác quốc tế có thể đảm bảo sự thành công của dự án và kích thích nền kinh tế.

Môi trường và an toàn: Mặc dù bước sóng vô hại song việc tiếp xúc lâu dài với chỉnh lưu có thể gây hại cho môi trường. Cùng với tính bền vững và an toàn của dự án, tính khả thi cần được đánh giá. Những quan ngại về mặt an toàn ngăn cản việc sử dụng tia laser. Việc ngừng hoạt động của cấu trúc có thể tạo ra các mảnh vụn rác vũ trụ. Ngoài ra, toàn bộ hệ thống phải được bảo vệ khỏi các mảnh vụn rác vũ trụ có khả năng gây hư hỏng hệ thống cấu trúc.

Xã hội: Các dự án quy mô lớn cần có sự hỗ trợ của công chúng, nhất là mối quan ngại về an toàn và bảo mật tồn tại với việc truyền dẫn điện không dây. Hiện có một số quan ngại về an toàn và bảo mật về truyền dẫn điện không dây, chẳng hạn giống như việc truyền dẫn không dây sẽ ảnh hưởng đến các cá nhân như thế nào? Liệu máy bay, chim chóc hoặc các công trình trên đất liền có bị đe dọa bởi điều này hay không? Những quan ngại này có thể được giải quyết khi biết rằng hệ thống SBSP được thiết kế hoàn toàn không có rủi ro, không gây ra mối đe dọa nào đối với bất kỳ thực thể sống hoặc không sống nào, bao gồm con người, chim chóc, máy bay, công trình kiến ​​trúc hoặc bất kỳ thứ gì khác bởi vì việc truyền năng lượng từ vệ tinh năng lượng mặt trời thường sử dụng đường truyền vi sóng công suất thấp với các bước sóng giống hệt với các bước sóng của thiết bị nhà bếp song cường độ tín hiệu yếu hơn đáng kể. Ủy ban thông tin Liên bang (Federal Communications Commission-FCC), cơ quan quản lý việc truyền dẫn không dây ở Hoa Kỳ, đưa ra cảnh báo các lò vi sóng “không cần phải nhầm lẫn với bức xạ năng lượng thấp, không ion hóa” từ các đường truyền công suất thấp. Một dự án trình diễn công khai nhằm giải quyết các vấn đề an toàn và nâng cao nhận thức có thể đem lại lợi ích.

Pháp lý: Phần lớn các quốc gia đều có những quy định khá mơ hồ về SBSP. Sự thiếu minh bạch có thể làm nản lòng các nhà phát minh và doanh nghiệp, khiến họ gặp nguy hiểm khi phát triển dự án. Việc truyền dẫn điện không dây là một vấn đề pháp lý quan trọng nằm trong tầm ngắm của các cơ quan chính phủ và cần sự phối hợp trên toàn thế giới thông qua Liên minh Viễn thông quốc tế (ITU) là một tổ chức chuyên môn của Liên hợp quốc nhằm tiêu chuẩn hoá viễn thông quốc tế, theo đó các quốc gia thành viên hợp tác để xác định ứng dụng nào được ưu tiên cho một dải tần số cụ thể. Biểu đồ tần số ITU đóng vai trò như một thỏa thuận cho việc truyền dẫn đi qua các ranh giới quốc tế. Giao tiếp không dây chủ yếu được quản lý để tránh nhiễu thiết bị và phát sóng. Các quốc gia phải thừa nhận rằng việc truyền dẫn điện không dây phù hợp với cấu trúc tiêu chuẩn. Để ngăn chặn nhiễu và xác định các thiết bị cũng như thông tin liên lạc bị ảnh hưởng, cần phải đàm phán và kiểm tra tần số. Việc phân bổ quỹ đạo của vệ tinh làm tăng thêm sự phức tạp về mặt pháp lý. Mặc dù khoảng không vũ trụ không được chiếm hữu song kích thước của hệ thống cấu trúc đề xuất có thể gây ra nhiều khó khăn nhất định.

Các giải pháp thay thế năng lượng mặt trời từ không gian

SBSP phải đối mặt với những thách thức đáng kể, bao gồm các chi phí quá cao liên quan đến việc triển khai và duy trì các mảng năng lượng mặt trời và máy phát trong không gian vũ trụ. Tuy nhiên, nhiều công nghệ năng lượng tái tạo cho thấy có triển vọng đáp ứng hiệu quả nhu cầu năng lượng bền vững. Trong những năm gần đây, công suất điện mặt trời đã tăng lên đáng kể nhờ chi phí giảm. Mặc dù quang điện mặt trời trên mặt đất kém hiệu quả hơn so với việc thu giữ từ không gian song nó giúp giảm được chi phí khổng lồ ban đầu liên quan đến việc khởi động và triển khai cơ sở hạ tầng trên không gian. Ngay cả ở những quốc gia đông dân, vẫn còn nhiều diện tích đất chưa phát triển song bù lại công nghệ tấm pin mặt trời đang phát triển không ngừng, do đó, điện mặt trời trên mặt đất có nhiều dư địa để tiếp tục mở rộng bền vững. Trong khi đó, các trường gió thay thế có thể được lắp đặt ở ngoài khơi, nơi gió ổn định và mạnh hơn gió được tạo ra trên đất liền. Hiện nay, các trang trại, nền tảng nổi của turbine gió cho phép khám phá tiềm năng gió rộng lớn ngoài khơi, ngay cả ở dưới độ sâu của đại dương.

Tuy nhiên, năng lượng hạt nhân cung cấp nguồn điện phụ tải cơ bản trung hòa carbon và đáng tin cậy để bù đắp cho sự biến đổi của các nguồn năng lượng tái tạo. Ngoài ra, những tiến bộ công nghệ trong năng lượng hạt nhân, chẳng hạn như các lò phản ứng modules nhỏ, có thể khiến lĩnh vực này có khả năng thích ứng cao hơn và tiết kiệm chi phí hơn. Những quan ngại về tai nạn và việc xử lý chất thải phóng xạ vẫn tồn tại, tuy nhiên, năng lượng hạt nhân hiện cung cấp khoảng 10% nhu cầu điện toàn cầu. Mặc dù gặp phải những thách thức liên quan đến đầu tư tài chính và dư luận, điện hạt nhân vẫn là nguồn điện có hàm lượng carbon thấp đáng tin cậy được dự đoán sẽ đóng góp đáng kể vào việc đáp ứng các yêu cầu năng lượng ngày càng tăng trong tương lai. Một cách tiếp cận tối ưu có thể liên quan đến việc tích hợp nhiều công nghệ tái tạo khác nhau, chẳng hạn như quang điện mặt trời, gió ngoài khơi và địa nhiệt, bên cạnh việc tăng cường liên tục các lựa chọn lưu trữ, thay vì chỉ dựa vào một giải pháp duy nhất. Danh mục đầu tư cân bằng cho phép thỏa hiệp trên các mặt như sau: Năng lực, tác động môi trường, chi phí và hiệu quả.

Link nguồn:

https://www.researchgate.net/publication/380075101_Towards_net_zero_A_technological_review_on_the_potential_of_space-based_solar_power_and_wireless_power_transmission

Tuấn Hùng

Research Gate