Kỹ thuật thu biến đổi năng lượng mặt trời truyền không dây từ vũ trụ về mặt đất

GS.TSKH. ĐÀO KHẮC AN - Viện Khoa học Vật liệu

Để có thể đảm bảo an ninh năng lượng lâu dài cho loài người, từ nhiều thập kỷ nay các nhà khoa học đã và đang tập trung tìm kiếm các nguồn năng lượng mới, trong đó có nguồn năng lượng mặt trời truyền không dây từ vũ trụ về mặt đất bằng công nghệ chùm tia vi ba và laser công suất cao.

Trong vũ trụ (ví dụ trên quỹ đạo địa tĩnh-GEO), ánh sáng mặt trời có gần như quanh năm, mật độ năng lượng mặt trời đạt cỡ 1340 W/m², lớn gấp gần 8 lần so với năng lượng trung trình trên mặt đất. Năng lượng mặt trời nhiều vô tận, có thể dùng hàng tỷ năm.

Mặt trời phát năng lượng ở dạng tia bức xạ khoảng 12x10¹⁶ Joules/sec (hoặc 120.000 TW/sec) xuống trái đất. Lượng năng lượng này còn lớn hơn rất nhiều lần so với số lượng năng lượng cả trái đất dùng trong 1 năm. Vì vậy, biến đổi năng lượng mặt trời sang dạng chùm tia vi ba hoặc laser với công suất cao (cỡ GW đến TW) rồi truyền về trái đất (hoặc truyền từ một điểm đến một điểm trong vũ trụ), sau đó chuyển sang dạng điện năng, đưa đến nơi sử dụng được coi là giải pháp có tính khả thi nhất, đảm bảo an ninh năng lượng lâu dài cho loài người.

Một số nét chính về hệ truyền không dây năng lượng mặt trời từ vũ trụ về mặt đất

Truyền năng lượng không dây hay truyền công suất không dây WPT (Wireless Power Transmission) là quá trình truyền năng lượng cao từ một điểm đến một điểm nào đó không cần dây dẫn. Truyền năng lượng không dây, về cơ bản khác với truyền thông tin không dây trong viễn thông (như radio, TV, Rada, Mobilphone), ở đó thông tin được biến điệu truyền đi mọi hướng, tín hiệu có trong một dải tần xác định, công suất tín hiệu ở đầu thu thường rất nhỏ (cỡ nW đến µW)… còn trong lĩnh vực truyền năng lượng không dây thì độ lớn và hiệu suất truyền năng lượng là quan trọng nhất, năng lượng chỉ truyền theo một chiều xác định.

Phần lớn các hệ thống truyền năng lượng không dây trường gần dựa trên nguyên lý cảm ứng từ và cảm ứng điện từ. Về sau công nghệ truyền năng lượng không dây trường xa được thực hiện bằng nguyên lý phóng chùm tia công suất (powerbeam) ở dạng tia vi ba hay tia laser để truyền công suất lớn (cỡ KW, MW thậm chí thiết kế đến cỡ GW) từ vũ trụ về bề mặt trái đất.

Về mặt lịch sử truyền năng lượng không dây được nghiên cứu triển khai rất sớm, cách đây khoảng 150 năm, bắt đầu từ các khái niệm và ý tưởng về truyền năng lượng mà không cần dùng đường dây tải điện cao thế do Nicolai Tesla khởi xướng. Tuy nhiên từ đó đến nay kết quả lý thuyết và thực nghiệm về truyền công suất không dây đã không tiến bộ nhiều so với công nghệ truyền thông tin do thiếu mô hình lý thuyết và công nghệ mới phù hợp.

Năm 1900 với việc triển khai truyền năng lượng không dây qua các tháp cao ở New York, làm sáng một số bóng đèn huỳnh quang ở khoảng cách 26 hải lý (cỡ 40 km), N.Tesla đã thu được một số kết quả đáng khích lệ trong lĩnh vực truyền không dây. Một số nhà nghiên cứu sau đó đã triển khai nhiều nghiên cứu thí nghiệm về truyền năng không dây trường gần dùng để nạp điện cho một số thiết bị như máy điện, ôtô, xe điện, máy tính, điện thoại di động...

Doanh thu cho nạp điện không dây lên tới trên 1 tỷ USD. Tuy nhiên, chỉ đến năm 2004, sau các nghiên cứu lý thuyết tường minh hơn, và nhất là sau các thí nghiệm của nhóm nghiên cứu tại MIT, vấn đề này mới được nghiên cứu mạnh mẽ, nhiều công ty lớn như Samsung, Intel đã nhanh chóng đầu tư và đạt được rất nhiều kết quả ấn tượng.

Trong khi đó việc nghiên cứu truyền công suất trường xa đã được quan tâm mạnh từ những năm 1973, sau patent của Glaser Peter dùng chùm tia vi ba hay laser công suất cao để truyền công suất từ quỹ đạo GEO, MEO hay LEO trên vũ trụ về mặt đất. Từ đó đến nay đã có hàng chục dự án lớn ở Mỹ, Nhật, châu Âu, Trung quốc, Ấn Độ được triển khai với đầu tư hàng chục tỷ USD và đã thu được nhiều kết quả tốt.

Hình 1. Hình trong patent gốc về phương pháp truyền năng lượng không dây từ vũ trụ về mặt đất của Peter Glaser (1973) a); nguyên lý mô hình 
hệ truyền năng lượng không dây bằng chùm tia Vi ba, b,c); và hệ thống rectena thu chùm tia Vi ba trên mặt đất chuyển sang dạng điện năng d)

Nguyên lý cấu tạo của hệ thống truyền năng lượng cao không dây bằng chùm tia vi ba hoặc laser về mặt đất bao gồm các phần chính sau

Vệ tinh năng lượng Mặt trời (SPS-Solar Power Satellite) bay trên quỹ đạo GEO, MEO, LEO, bao gồm một số khối thiết bị sau:
- Khối thiết bị thu năng lượng mặt trời, thường bao gồm hệ thống gương để hội tụ năng lượng mặt trời, và các pannel pin mặt trời để cung cấp điện cho ma trận linh kiện vi ba (hoặc laser). 
- Khối ma trận linh kiện viba như TWT, cyclostron, hoặc cryston biến đổi năng lượng điện từ năng lượng mặt trời thành các tia vi ba có công suất cao. Còn đối với hệ laser là các ma trận laser công suất cao.
- Hệ thống (ma trận) angten phát bức xạ vi ba bằng các angten liên kết pha đặt trên vệ tinh hướng xuống mục tiêu dưới đất, nơi có hệ thống angten thu. Còn đối với hệ laser là hệ thống phát chùm laser công suất cao xuống mục tiêu

Không gian truyền dẫn năng lượng không dây: bầu không gian vũ trụ từ quỹ đạo GEO, MEO hay LEO về mặt đất. Tần số (bước sóng) đối với công nghệ chùm tia vi ba là 2,58 GHz, hoặc tần số  5,8 GHz, còn đối với chùm tia laser là bước sóng hồng ngoại ở dải λ= 0,7 - 1,1µm

Hệ thống thiết bị angten thu chùm tia vi ba (laser) biến đổi sang điện rồi truyền dẫn năng lượng đến nơi sử dụng
- Hệ thống thu chùm tia vi ba trên mặt đất là ma trận angten thu tín hiệu vi ba và bộ chỉnh lưu kết hợp với nhau, gọi là rectena. Tín hiệu vi ba được thu rồi chỉnh lưu bằng mạch chỉnh lưu dùng phôtôđiôt schottky. Vì năng lượng phát ra từ quỹ đạo GEO thường có dạng hình nón, nên ở mặt đất cần có rectena kích thước thích hợp mới thu nhận được hết năng lượng. Thông thường năng lượng tập trung chủ yếu ở trung tâm ra phía ngoài, tại rìa angten năng lượng bằng không. 
- Đối với hệ thống thu laser chủ yếu là dùng các tấm pin mặt trời PV đa lớp hiệu suất cao ghép vào nhau. Pin mặt trời có khả năng thu cả ánh sáng mặt trời tự nhiên và cả ánh sáng bức xạ từ vũ trụ phát ra.

Hình 2. Mô hình nguyên lý về phương pháp truyền năng lượng không dây từ vũ trụ về mặt đất bằng chùm tia Laser a,b,c) 
và một vài ứng dụng trong lĩnh vực quân sự  e,f)

Về độ an toàn: hệ SPS chùm tia vi ba có độ an toàn hơn, mật độ công suất thấp so với mức tác hại; còn hệ dùng chùm tia laser thì độ an toàn không cao, nguy hiểm, có tác hại đối với con người.

Về mức độ phát triển và kết quả đạt được: Hệ SPS dùng chùm tia vi ba đang được phát triển mạnh, dùng để truyền năng lượng từ GEO về và đã đạt được nhiều kết quả truyền được năng lượng cỡ KW trở lên. Hệ này đang được đầu tư hàng tỷ USD trong rất nhiều dự án lớn, và trong thời gian tới sẽ nghiên cứu để tiến tới truyền từ GW- TW. Còn đối với hệ chùm tia laser cũng được phát triển mạnh, với kinh phí đầu tư rất lớn, dùng cho các mục đích quân sự - làm vũ khí, cung cấp năng lượng cho các căn cứ quân sự nhỏ từ quỹ đạo LEO, nhưng ở trạng thái bí mật không công bố.

Một số ưu điểm, nhược điểm của hệ thống truyền năng lượng không dây và khó khăn thách thức chính

Năng lượng mặt trời vũ trụ có thể giải quyết vấn đề an ninh năng lượng toàn cầu bởi vì không giống như năng lượng mặt trời trên trái đất và năng lượng gió, năng lượng mặt trời vũ trụ có liên tục hàng ngày 24/24 giờ, với trữ lượng vô cùng lớn, nó có hiệu ứng bơm liên tục. Hơn nữa, nó có thể cấp năng lượng cho bất cứ một khu vực nào trên mặt đất, cả vùng sâu vùng xa, không phụ thuộc các nguồn nước sạch để hoạt động, chỉ cần hướng angten phát về vị trí đặt angten thu ở nơi mong muốn sử dụng. Vì vậy năng lượng mặt trời vũ trụ là nguồn ổn định lâu dài, cung cấp trực tiếp cho mọi dân tộc, không phụ thuộc sở hữu của quốc gia nào.

Đồng thời, năng lượng mặt trời vũ trụ không gây ra các khí có hiệu ứng nhà kính, không ảnh hưởng nhiều đến biến đổi khí hậu, và không tạo ra phế thải độc hại cần phải chôn cất (như năng lượng hạt nhân), vì vậy nó không thể là mục tiêu cho bọn khủng bố. Ngoài ra, hệ thống SPS yêu cầu diện tích nhỏ hơn khoảng 1/5 lần so với hệ thống năng lượng mặt trời trên mặt đất khi cho cùng công suất.

Tuy nhiên, kích thước và trọng lượng vệ tinh SPS hiện nay còn rất lớn nên giá thành phóng tên lửa đưa vệ tinh lên quỹ đạo khá cao. Giá thành để đưa lên quỹ đạo LEO cần giảm vào khoảng 400 - 500 USD/kg.

Hình 3. Một số hoạt động về truyền thông tin và truyền năng lượng không dây sử dụng chùm tia Vi ba và Laser trong vũ trụ trong tương lai gần - theo dự đoán của NASA - ở hội nghị ISDC năm 2010 Chicago- a,b) và sách giới thiệu về “an ninh năng lượng 
sử dụng công nghệ truyền năng lượng không dây bằng kỹ thuật chùm tia Vi ba, Laser" c)

Mặc dù có những khó khăn, thách thức rất lớn cả về kỹ thuật, tài chính, song để đảm bảo an ninh năng lượng, Chính phủ các nước, các tập đoàn lớn trên thế giới (như NASA (Mỹ), BOEING (Mỹ), NASDA (Nhật Bản), châu Âu...) vẫn có những đầu tư hàng chục tỷ USD cho các dự án nghiên cứu, thí điểm và đưa ra những chiến lược có tính dài hạn.

Các nhà khoa học cũng đặt mục tiêu trước mắt là nghiên cứu và phát triển những công nghệ mới về khoa học vũ trụ có thể chế tạo được SPS, hệ thống rectenna và đưa được SPS lên quỹ đạo, duy trì hoạt động của chúng trong vài chục năm, và phấn đấu đạt hiệu suất chuyển đổi năng lượng từ năng lượng mặt trời ngoài vũ trụ thành điện năng trên 50%.

(Nguồn: vast.ac.vn)