Thế kỷ 21: năng lượng từ không gian?

58

Trời khô rồi, đâu đó còn có chất lỏng hữu ích…
Các chuyên gia của Trung tâm Khí tượng Thủy văn cảnh báo chúng tôi trong chương trình Vremya: có vẻ như khí hậu đang thay đổi - “hiệu ứng nhà kính” đang ảnh hưởng, ngành công nghiệp trên trái đất đang thải ra quá nhiều carbon dioxide vào khí quyển. Trong phần khí họ viết về một cuộc khủng hoảng môi trường đã xảy ra hoặc sắp xảy ra…

Vì vậy, có lẽ đúng là loài người lãng phí quá mức đã trở thành mối đe dọa đối với hành tinh không quá rộng lớn của chúng ta và các hoạt động công nghiệp của nó có thể phá vỡ sự cân bằng khí hậu đã được thiết lập trên đó hàng triệu năm trước?

Chúng ta hãy nhìn vào những con số. Ở các nước phát triển ngày nay, mức tiêu thụ năng lượng sơ cấp là khoảng 10 kW bình quân đầu người. Ở các khu vực khác, con số này ít hơn đáng kể: ở Trung Quốc chẳng hạn, 10 lần, ở các quốc gia châu Phi da đen thậm chí là 50. Hoàn toàn rõ ràng rằng tình trạng này không phải là STRAINAET JENTELEN ETHX STRRAN. Câu hỏi duy nhất là họ sẽ mất bao nhiêu năm để đạt được những thay đổi mạnh mẽ theo chiều hướng tốt hơn. Cần phải nghĩ rằng trong thế kỷ 21, tình hình sẽ thay đổi: rất có thể, 10 kW có thể được quy cho hành tinh dân cư trung bình.

Hãy mở thông tin nhân khẩu học: các chuyên gia dự đoán rằng vào giữa thế kỷ 21, sẽ có khoảng 10 tỷ người sinh sống trên Trái đất. Hãy bỏ qua hai số cuối và nhận được 10^14 W - xấp xỉ lượng năng lượng sơ cấp này sẽ được nhân loại tiêu thụ hàng ngày vào giữa thế kỷ tới. Nó nhiều hay ít?

Bật mí lại thông tin: công suất bức xạ mặt trời được bầu khí quyển và bề mặt Trái đất hấp thụ là 10^17 W. Điều này có nghĩa là trong thế kỷ 21, năng lượng “nhân loại” - năng lượng gắn liền với các hoạt động kỹ thuật của nhân loại - sẽ chỉ tăng thêm 0,1% vào giá trị này. Mỗi cái, không nhiều lắm. Và ngày nay chất phụ gia này ít hơn 12 lần. Nhưng liệu điều này có khiến bạn nhận ra rằng, khi nhìn vào những con số, bạn có thể thở phào nhẹ nhõm và không còn nghe theo những kẻ báo động thỉnh thoảng đưa ra cảnh báo nữa?

Sự cân bằng năng lượng của sinh quyển trái đất đã được hình thành qua hàng triệu năm tiến hóa. Sự gia tăng đáng kể về năng lượng mà không sử dụng năng lượng mặt trời đến Trái đất thông qua các dịch vụ sẽ gây ra hậu quả cho sinh quyển và cuộc sống con người.

Vài năm trước, tại Trung tâm Máy tính của Viện Hàn lâm Khoa học Liên Xô, dưới sự lãnh đạo của Viện sĩ N. N. Monseev, một hệ thống mô hình toán học (sinh địa hóa*) đã được phát triển. Nó được gọi là “hệ thống đồng tính nam”. Hệ thống mô hình toán học này giúp tính toán các quá trình trong khí quyển và đại dương, cũng như hành vi của quần thể sinh vật (tất cả các loài sinh vật sống trên Trái đất).

Kết quả tính toán cho phép chúng tôi rút ra những kết luận quan trọng. Nhiệt độ trung bình của hành tinh tăng thêm 4-5 độ gây ra thảm họa môi trường. Nhưng ngay cả khi nhiệt độ này chỉ thay đổi 0,5°, chúng ta vẫn có thể mong đợi những thay đổi đáng kể về khí hậu ở các vĩ độ trung bình và những thay đổi về năng suất của quần thể sinh vật. Và để ngăn bầu khí quyển quá nóng 2-3°, việc bổ sung năng lượng tùy tiện trên Trái đất không được vượt quá 10^14 W. Có vẻ như trong thế kỷ 21, loài người sẽ tiến gần đến điểm nguy hiểm…

Nhưng có lẽ chúng ta không nên quá coi trọng những tính toán này? Rốt cuộc, ngay cả thời tiết ngày hôm sau cũng không được dự đoán chính xác lắm. Chúng ta hãy nói lời này với các chuyên gia về lịch sử khí hậu và bầu khí quyển của hành tinh chúng ta. Nhờ nghiên cứu của Viện sĩ A.L. Yanishin, M.I. Budyko, N.A. Yasamanov và những người khác, rõ ràng là có những thời đại trong lịch sử Trái đất mà nhân loại hoàn hảo sẽ cho là cực kỳ bất lợi. Sự xuất hiện của các điều kiện tương ứng được giới hạn ở mức nhỏ - khoảng 0,1% -

*) Sinh địa hóa - các thành phần liên kết và tương tác của thiên nhiên sống và vô tri.

59

sự dao động của năng lượng bức xạ mặt trời được Trái đất hấp thụ. Nhưng 0,1% chính xác là 10¹⁴ W, tức là một lần nữa có cùng giá trị tới hạn!

Nhưng đó không phải là tất cả. Năng lượng chiếm 60% tổng lượng ô nhiễm không khí. Tốc độ giảm sinh khối do hoạt động kinh tế của con người là lượng sinh vật giảm hàng năm là 2 tỷ tấn. Diện tích rừng trên hành tinh đang giảm 1% mỗi năm. Việc chống ô nhiễm các đại dương trên thế giới ngày càng gia tăng (chất thải độc hại, màng dầu, v.v.). Việc phát thải một lượng lớn khói, bụi, khí dung sunfat, khí thải từ máy bay và phương tiện vào khí quyển dẫn đến sự gia tăng suất phản chiếu toàn cầu*) của Trái đất và làm suy giảm tầng ozone bảo vệ của khí quyển. Kết quả của tất cả các quá trình này có thể là sự giảm nồng độ oxy trong bầu khí quyển Trái đất. Liệu dòng suối của chúng ta sẽ không gặp phải tình huống nghịch lý khi phải tạo ra những trang trại trồng cây đặc biệt để bổ sung lượng oxy dự trữ trong khí quyển?

Nhưng đó không phải là tất cả. Việc cải thiện chất lượng cuộc sống của con người đòi hỏi phải tăng cường sản xuất vật chất và điều này lại đòi hỏi phải tăng mức tiêu thụ năng lượng. Tuy nhiên, trọng lượng loại bỏ của sản phẩm hữu ích so với tài nguyên khoáng sản đã sử dụng không vượt quá 10%, hơn 90% sẽ bị lãng phí. Kết quả là, khi mức tiêu thụ năng lượng tăng lên, ô nhiễm môi trường sẽ tăng lên nhanh chóng một cách không tương xứng.

Vì vậy, những con số xác nhận: có lý do để lo ngại. Tìm lối thoát ở đâu? Hiện nay họ cũng viết rất nhiều về vấn đề này: cần phải chuyển sản xuất công nghiệp sang các quy trình tiết kiệm năng lượng và tài nguyên, tận dụng nhiều hơn các công nghệ không thải chất thải, tự mình xây dựng và thực hiện nghiêm túc các hoạt động sản xuất phức tạp.

Trong lĩnh vực năng lượng, có một chỉ số như vậy - độ co giãn của nhu cầu năng lượng theo tổng sản phẩm quốc dân (BHII). Nó phản ánh mối liên hệ giữa sự tăng trưởng của BNII và sự gia tăng sản xuất năng lượng. Trong nhiều năm ở các nước công nghiệp phát triển, con số này gần bằng 1, nói cách khác, để tăng GNII lên 1% thì cần phải tăng sản lượng năng lượng thêm 1%. Vào những năm 80, do sự ra đời của các công nghệ tiết kiệm năng lượng nên hệ số đàn hồi đã giảm đi khoảng một nửa. Tuy nhiên, khó có thể tin tưởng vào tiến bộ đáng kể hơn nữa theo hướng này: chi phí của các nguồn năng lượng đầu tiên không giảm mà ngày càng tăng.

Ở đây chúng ta phải đối mặt với một vấn đề khác và một vấn đề rất phức tạp. Hiện tại, 87% tổng năng lượng dự trữ sơ cấp được tiêu thụ được cung cấp từ việc đốt các nguồn năng lượng hữu cơ - dầu, khí đốt, than đá và gỗ. Theo dự báo của Hội nghị Năng lượng Thế giới, cơ cấu tiêu thụ năng lượng này nhìn chung sẽ được giữ nguyên trong những thập kỷ đầu của thế kỷ 21. Dự kiến, sự đóng góp của nhiên liệu hạn chế vào cân bằng năng lượng toàn cầu đến năm 2020 sẽ tăng 1,6-2,0 lần, nhưng tỷ trọng sẽ giảm từ 87% xuống 70%. Ở đây, vấn đề đã chỉ ra sẽ nảy sinh: với quy mô phát triển nguồn dự trữ năng lượng mới, việc bổ sung dầu ở mức hiện tại sẽ cần được duy trì thêm 30 năm nữa, khí đốt phù hợp - 50 năm, than đá - 240 năm.

Những người lạc quan cho rằng giải pháp là năng lượng hạt nhân và sau đó là năng lượng nhiệt hạch. Họ có cơ sở cho những tuyên bố như vậy, đặc biệt là về mặt năng lượng nhiệt hạch: nó sẽ cần một lượng dự trữ năng lượng tối thiểu (đồng vị nặng của hydro có trong vùng biển của Đại dương Thế giới) và tương đối an toàn. Đối với năng lượng hạt nhân, sau Chernova, người ta có lẽ nên lắng nghe một cách tội lỗi hơn tiếng nói của những người hoài nghi hơn là những người đam mê.

60

Tuy nhiên, với “nhiệt hạch Eldorado” mọi chuyện vẫn chưa đơn giản như vậy. Nghiên cứu về chương trình kiểm soát phản ứng tổng hợp nhiệt hạch đã diễn ra được khoảng 35 năm nhưng vẫn chưa thành hiện thực. Chi phí lắp đặt thử nghiệm nhiệt hạch của thế hệ hiện tại vượt quá 300 triệu đô la, và ở giai đoạn tiếp theo, nó sẽ tăng lên rất nhiều. Theo các chuyên gia Mỹ, lò phản ứng nhiệt hạch tái thương mại sẽ bắt đầu phát điện không sớm hơn năm 2020. Đồng thời, dù đã trải qua thời gian nghiên cứu kéo dài nhưng vẫn chưa có bằng chứng thuyết phục nào về khả năng cạnh tranh kinh tế của các nhà máy nhiệt điện trong tương lai.

Vậy chúng ta nên tìm cách thoát khỏi mớ rắc rối phức tạp về năng lượng và kinh tế này ở đâu? Có một hướng đi đầy hứa hẹn mà vì lý do nào đó lại ít được nhắc đến. Hướng này là hệ thống năng lượng không gian. Ngay cả vào đầu thế kỷ này, người sáng lập ngành du hành vũ trụ K. E. Tsiolkovsky đã mơ về họ, người đã viết rằng con người sẽ có thể làm chủ được “năng lượng mặt trời, lớn hơn hai tỷ lần so với năng lượng mà nhân loại có trên Trái đất”. Công việc của ông sẽ phát triển một kịch bản chi tiết cho hoạt động khám phá không gian bên ngoài của loài người, bao gồm cả việc xây dựng các hệ thống năng lượng quỹ đạo với nhiều loại hình và mục đích khác nhau.

Để truyền các dòng năng lượng tập trung đến bề mặt Trái đất, có thể sử dụng bức xạ mặt trời phản xạ nằm ở quỹ đạo gần Trái đất. Lần đầu tiên, Yu. V. Kondratok, một trong những người tiên phong về công nghệ tên lửa ở Liên Xô, đã thu hút sự chú ý đến khả năng này trong tác phẩm viết tay của mình (1918-1919).

Năm 1943, kỹ sư điện nổi tiếng của Liên Xô, Giáo sư G.I. Babat đã đề xuất và chứng minh một phương pháp truyền năng lượng trên máy bay bằng cách sử dụng đường bức xạ vi sóng hợp nhất tốt.

Năm 1960, một bước nữa được thực hiện: kỹ sư N.A. Varvarov nảy ra dự án sử dụng trạm năng lượng gel quỹ đạo để cung cấp năng lượng cho Trái đất. Và vào năm 1968, kỹ sư người Mỹ P. Glaser, làm việc độc lập, đã kết hợp ý tưởng của Babat và Varvarov - ông đưa ra dự án xây dựng một trạm năng lượng mặt trời trên quỹ đạo địa tĩnh gần Trái đất để cung cấp điện cho Trái đất.

Kể từ đó, rất nhiều nghiên cứu đã được dành cho dự án này. Các tác giả của bài viết này cũng đã đến lĩnh vực này và đưa ra một số đề xuất cụ thể. Đặc biệt, người ta đã chứng minh rằng với sự trợ giúp của các trạm như vậy, người ta có thể phóng hàng hóa vào không gian. Dự án Nhà máy điện mặt trời không gian (SSP) có đặc điểm, ưu điểm gì?

Nói một cách ngắn gọn, như sau được đề xuất. Một vệ tinh có khối lượng 5·10⁴ tấn được đặt trên quỹ đạo địa tĩnh ở độ cao 36.000 km. Các tấm pin mặt trời có diện tích 100 km2 được lắp đặt trên vệ tinh và chuyển đổi năng lượng của bức xạ mặt trời thành dòng điện, từ đó chuyển đổi thành bức xạ vi sóng. Chùm ăng-ten truyền tập trung tốt của bức xạ này được hướng tới Trái đất, được bắt ở đó bởi một ăng-ten thu có đường kính 20 km, sau đó lại chuyển thành dòng điện để truyền đến người tiêu dùng. Các thông số của chùm bức xạ vi sóng - tần số 2,45 Hz, mật độ dòng năng lượng 10 mW/cm2 - được lựa chọn dựa trên yêu cầu an toàn và độ hấp thụ tối thiểu trong khí quyển. Đây là những đặc điểm của dự án ở dạng tổng quát nhất. Tất nhiên, có rất nhiều lựa chọn, nhưng chúng ta đừng tập trung vào các vấn đề cụ thể ở đây.

Bây giờ về lợi ích. Có ít nhất bốn trong số đó: độ tinh khiết về kinh tế, an toàn, đảm bảo tiết kiệm tài nguyên khoáng sản, tự chủ (bao gồm cả việc không cần đến đường dây điện khó chịu - ăng-ten thu sóng -

61

chúng tôi có thể ở không xa người tiêu dùng). Ưu điểm thứ năm gắn liền với việc tiết kiệm tài nguyên khoáng sản: hiệu suất chuyển đổi năng lượng vi sóng trên Trái đất rất cao - khoảng 90%, do đó, tỷ lệ năng lượng kháng nguyên tiêu tán ở cùng mức tiêu thụ năng lượng sẽ giảm đi rõ rệt. Và điều này rất quan trọng - “áp lực nhân loại” lên môi trường sẽ giảm xuống dưới mức nguy hiểm gần 10¹⁴ W.

Tất nhiên, không có dự án nào có được những ưu điểm và không có nhược điểm này. KSE cũng có chúng, và chúng là của người Serbez. Thứ nhất, đây là chi phí cao khi phóng các cấu trúc khối dạng cột vào không gian. Thứ hai, chi phí cao của bản thân bộ chuyển đổi năng lượng. Thứ ba, có nguy cơ gây ra những tác động có hại đến bầu khí quyển do khí thải từ hệ thống đẩy của hệ thống vận chuyển không gian. Không còn nghi ngờ gì nữa, tất cả những điều này đều là những vấn đề nghiêm trọng, nhưng chúng đều mang tính chất kỹ thuật. Và do đó, về nguyên tắc, có thể giải quyết được.

Có thể tìm thấy lời giải những vấn đề này bằng cách nào? Có lý do để kỳ vọng rằng với sự phát triển của ngành công nghiệp điện tử và không gian trọn gói, vào đầu thế kỷ 21, các hệ thống vận chuyển không gian mới sẽ được tạo ra và các bộ chuyển đổi quang chi phí thấp hiệu quả cao sẽ được phát triển. Theo các chuyên gia Mỹ, trong tương lai, chi phí phóng các tải trọng nặng 300-500 tấn lên quỹ đạo Trái đất tầm thấp sẽ giảm xuống còn hàng trăm 10 USD/1 kg, giá thành các tấm pin mặt trời sẽ giảm xuống 100 USD/1 kW điện sản xuất. Nếu tính đến những số liệu này, các CSP có công suất 5-10 GW sẽ có được lợi thế thứ sáu - khả năng cạnh tranh kinh tế.

Còn nguy cơ ô nhiễm không khí phát sinh từ việc ra mắt một đội tàu chở hàng lớn thì sao? Ở đây cũng có một lối thoát: Giáo sư J. O’Neill của Đại học Princeton ở Hoa Kỳ đã đề xuất sử dụng tài nguyên khoáng sản được bổ sung trên Mặt trăng để xây dựng mạng lưới CSP gần Trái đất. O’Neill mô tả một cách hình tượng ý tưởng của mình là phương pháp “khởi động”: CSP đầu tiên được xây dựng dựa trên tài nguyên trên trái đất và sau đó sử dụng nó làm cơ sở quỹ đạo để tạo ra một tổ hợp công nghiệp và khai thác mỏ trên vệ tinh của hành tinh chúng ta.

Có phải chúng ta đã đi quá xa khỏi hiện đại? - có lẽ một độc giả chú ý sẽ hỏi chúng tôi. “Không phải tốt hơn là để lại những câu hỏi này cho con cháu chúng ta, những người sẽ sống ở thế kỷ 21, xem xét sao?” Và chúng ta đã có đủ vấn đề của riêng mình rồi…

Hãy để chúng tôi nhắc nhở những người còn hoài nghi về một vài con số. Còn lại 30 năm trữ lượng dầu và 50 năm trữ khí đốt. Kinh nghiệm cho thấy thời gian để tái cơ cấu ngành năng lượng sang các nguồn năng lượng mới là khá đáng kể - khoảng 50 năm. Hãy suy nghĩ về những con số này và đánh giá xem lời giải nào có thể để lại cho con cháu và những con số nào mà bản thân chúng ta phải chấp nhận.