Một nhóm nghiên cứu ở Viện Công nghệ California (Caltech) đã phát triển loại pin module thông minh siêu nhẹ tự triển khai để tiến hành thí nghiệm truyền điện không dây trong vũ trụ đầu tiên trên thế giới. Thí nghiệm này nằm trong dự án Điện mặt trời không gian (SSPP) nhằm khai thác nguồn năng lượng sạch gần như vô hạn trên quỹ đạo.

Sản phẩm của họ bao gồm một loạt module, khi phóng mỗi module có thể tích khoảng một m3, và có thể căng ra thành hình vuông phẳng khổng lồ có kích thước mỗi cạnh là 50m. Một mặt của “hình vuông” này là ô pin quang năng, còn mặt kia là máy phát điện không dây.

Hệ thống thử nghiệm điện mặt trời không gian (SSPD-1) nặng 50 kg đã được phóng vào quỹ đạo thấp ngày 3/1/2023 trên tàu vũ trụ Momentus Vigoride bởi tên lửa của SpaceX.

Module MAPLE trong thí nghiệm truyền điện từ không gian về Trái Đất. Ảnh: Caltech.

SSPD-1 được thiết kế gồm 3 module nhỏ.

Module DOLCE: Kiểm tra thiết kế và cơ cấu triển khai cấu trúc gập siêu nhẹ.; Module ALBA: Kiểm tra hàng loạt thiết kế pin quang năng khác nhau để xem loại nào hiệu quả nhất trong không gian; Module MAPLE: Giúp kiểm nghiệm công nghệ truyền điện không dây về Trái Đất.

Trong thí nghiệm của Caltech, một phần MAPLE kiểm tra truyền điện trong phạm vi ngắn. Máy phát truyền điện tới hai máy nhận khác nhau ở cách đó 30cm và có thể thắp sáng những bóng đèn LED nhỏ ở mỗi máy nhận tùy ý.

MAPLE cũng thử nghiệm dùng máy phát để truyền chùm năng lượng về máy nhận ở Trái đất, trên mái một phòng thí nghiệm kỹ thuật ở Caltech tại Pasadena. Trạm mặt đất đã phát hiện chùm năng lượng ở thời gian và tần số như dự kiến. Điều này cho thấy có thể truyền chùm năng lượng vào mục tiêu chính xác ở khoảng cách xa và thiết bị liên quan hoạt động tốt sau hành trình lên quỹ đạo

Mô phỏng hệ thống sản xuất điện mặt trời trong vũ trụ SPS-ALPHA. Ảnh: NASA

Ý tưởng sản xuất điện mặt trời trong vũ trụ (SBSP), sử dụng vệ tinh để thu thập năng lượng từ Mặt Trời và truyền về các điểm thu nhận trên Trái Đất, đã tồn tại ít nhất từ cuối thập niên 1960, theo Science Alert. Bất chấp tiềm năng khổng lồ, ý tưởng này không thu hút nhiều sự chú ý do chi phí và trở ngại về mặt công nghệ. Nếu có thể giải quyết vấn đề, SBSP sẽ trở thành một phần quan trọng giúp thế giới chuyển từ nhiên liệu hóa thạch sang năng lượng xanh.

Con người từ lâu đã thu thập năng lượng từ Mặt Trời, thông qua nhiều công nghệ khác nhau như quang điện (PV) và nhiệt mặt trời (STE). Năng lượng Mặt Trời cũng được thu thập gián tiếp, chẳng hạn như phong năng, do gió sinh ra bởi sự ấm lên không đều của khí quyển dưới tác động của Mặt Trời. Nhưng những dạng sản xuất năng lượng xanh này có hạn chế. Chúng chiếm nhiều diện tích trên mặt đất và bị giới hạn bởi ánh sáng và gió có sẵn. Ví dụ, trang trại mặt trời không thể thu thập năng lượng vào ban đêm và thu được ít hơn vào mùa đông hoặc ngày nhiều mây.

PV trên quỹ đạo không bị hạn chế bởi ban đêm. Một vệ tinh trên quỹ đạo địa tĩnh (GEO), quỹ đạo hình tròn ở độ cao 36.000 km phía trên Trái Đất, tiếp xúc với Mặt Trời hơn 99% thời gian trong cả năm. Điều này cho phép nó sản xuất năng lượng xanh 24/7. GEO rất lý tưởng khi cần truyền năng lượng từ tàu vũ trụ tới máy thu nhận, hoặc trạm mặt đất, do vệ tinh tại vị trí đó ở nguyên một chỗ so với Trái Đất. Giới nghiên cứu cho rằng năng lượng mặt trời có sẵn từ GEO nhiều gấp 100 lần so với ước tính về nhu cầu điện toàn cầu của nhân loại năm 2050.

Truyền năng lượng thu thập trong không gian về mặt đất đòi hỏi truyền điện không dây. Sử dụng vi sóng để truyền điện giúp giảm thiểu thất thoát điện trong khí quyển, ngay cả khi trời nhiều mây. Chùm vi sóng truyền bởi vệ tinh sẽ tập trung vào trạm mặt đất. Tại đó, ăngten biến đổi sóng điện từ thành điện. Trạm mặt đất sẽ cần có đường kính 5 km hoặc lớn hơn nếu ở vĩ tuyến cao. Tuy nhiên, diện tích này vẫn nhỏ hơn khu đất cần thiết để sản xuất lượng điện tương đương bằng quang năng hoặc phong năng.