Nhà máy điện mặt trời ngoài không gian quá lớn để nhét vào rocket: Startup muốn phóng từng mảnh rồi để robot tự lắp trên quỹ đạo

Muốn truyền một lượng điện đáng kể từ không gian xuống mặt đất bằng vi sóng, phần cứng trên quỹ đạo phải lớn. Nhưng rocket lại đặt ra giới hạn rất cụ thể: mọi thứ phải nằm gọn trong khoang tải trọng khi phóng. Với một cấu trúc năng lượng có thể cần diện tích hàng chục, hàng trăm hoặc thậm chí lớn hơn nữa khi tăng quy mô, bài toán không chỉ là làm pin mặt trời hiệu quả hơn mà còn là làm thế nào xây được một thứ lớn hơn chính chiếc rocket mang nó lên.

Katalyst Space đang chọn cách không cố giải bài toán đó trên mặt đất. Startup Mỹ vừa được Operational Energy Capability Improvement Fund (OECIF) chọn cho chương trình Advanced Scalable Growth Architecture for Robotic Deployment, viết tắt là ASGARD. Kế hoạch là phóng các mô-đun năng lượng ở dạng rời lên quỹ đạo thấp, sau đó để tàu robot NEXUS dùng cánh tay cơ khí lắp chúng thành một hệ thống power-beaming có kích thước lớn hơn giới hạn thể tích của một lần phóng.

Sau khi lắp xong, các tile do U.S. Naval Research Laboratory (NRL) phát triển sẽ thu ánh sáng Mặt Trời, biến điện một chiều thành năng lượng vô tuyến ở dải microwave rồi truyền xuống Trái Đất. Nếu nhiệm vụ hoạt động như thiết kế, ASGARD sẽ đồng thời thử ba công nghệ vốn thường được phát triển riêng rẽ: thu năng lượng mặt trời trên quỹ đạo, chuyển điện thành sóng vô tuyến để truyền năng lượng không dây, và lắp ráp một cấu trúc lớn bằng robot ngoài không gian.

Điểm cần giữ đúng tỷ lệ là ASGARD chưa phải một “nhà máy điện” thương mại. Thông báo ngày 21/9 của Katalyst không công bố công suất đầu ra, kích thước mảng sau khi lắp, hiệu suất toàn chuỗi hay lịch phóng cụ thể. Công ty nói kiến trúc được thiết kế để có thể bổ sung mô-đun và tăng từ quy mô kilowatt lên megawatt trong tương lai; đó là mục tiêu thiết kế, không phải mức công suất đã được chứng minh.

Vì sao không gập cả hệ thống rồi nhét vào rocket?

Vệ tinh từ lâu đã dùng pin mặt trời gập lại để phóng rồi bung ra trên quỹ đạo. Cách này hiệu quả khi cấu trúc còn nằm trong phạm vi mà bản lề, cần triển khai và cơ cấu khóa có thể xử lý. Nhưng space-based solar power đặt ra một bài toán khác về quy mô.

Với truyền năng lượng bằng microwave, diện tích không chỉ cần để hứng thêm ánh sáng. Mảng phát càng lớn thì về nguyên tắc càng có khả năng tạo chùm sóng hẹp hơn ở cùng bước sóng, giúp đưa nhiều năng lượng hơn tới vùng nhận trên mặt đất thay vì để chùm tia loe quá rộng. Khi công suất mục tiêu tăng, cả diện tích thu năng lượng lẫn khẩu độ phát đều trở thành những cấu trúc lớn.

Khoang tải trọng của rocket có đường kính và chiều dài hữu hạn, còn phần cứng phải chịu rung động, gia tốc và tải khí động trong lúc phóng. Thiết kế tất cả thành một cơ cấu gập khổng lồ khiến hệ thống triển khai phức tạp và tạo ra những điểm hỏng khó sửa. ASGARD thử một kiến trúc khác: rocket chỉ chịu trách nhiệm đưa “vật liệu xây dựng” lên quỹ đạo; việc tạo hình cấu trúc cuối cùng diễn ra sau khi đã rời khỏi fairing.

NEXUS sẽ đóng vai trò công nhân lắp ráp trên quỹ đạo

Trung tâm của nhiệm vụ là NEXUS, nền tảng tàu robot đa nhiệm của Katalyst. Theo thông số công ty công bố, NEXUS được thiết kế để tự cơ động giữa các quỹ đạo, rendezvous, docking và thao tác vật thể bằng hệ thống cánh tay robot. Với ASGARD, chính khả năng thao tác này sẽ được dùng để lấy các tile mô-đun và ghép chúng thành một mảng lớn trong low Earth orbit.

Điểm đáng chú ý ở đây là khả năng mở rộng không còn phụ thuộc hoàn toàn vào một lần phóng. Katalyst nói hệ thống được thiết kế để có thể được tiếp tế, bổ sung tile và tăng quy mô sau khi đã hoạt động trên quỹ đạo. Nếu cách làm này chứng minh được độ tin cậy, giới hạn thiết kế sẽ chuyển từ “cái gì vừa với fairing” sang những câu hỏi khác: robot mất bao lâu để lắp một mô-đun, mỗi mối nối chịu được bao nhiêu chu kỳ nhiệt, hệ thống có thể tự phát hiện lỗi hay không, và chi phí của mỗi lần tiếp tế là bao nhiêu.

Đó cũng là lý do ASGARD có ý nghĩa rộng hơn riêng space solar. Kỹ thuật lắp ráp ngoài không gian có thể được áp dụng cho anten lớn, kính thiên văn, trạm quỹ đạo hoặc những cấu trúc mà việc gập toàn bộ từ mặt đất trở nên quá phức tạp. Nhưng trong nhiệm vụ này, bài kiểm tra cụ thể vẫn là một mảng thu và truyền năng lượng.

Những tile năng lượng không bắt đầu từ con số 0

Phần power-beaming của ASGARD dựa trên một chuỗi nghiên cứu dài hơn tại NRL. Tháng 5/2020, phòng thí nghiệm này đã đưa Photovoltaic Radio-frequency Antenna Module, hay PRAM, lên tàu không gian X-37B. PRAM chỉ là một tile vuông khoảng 12 inch, nhưng nó được thiết kế để kiểm tra trực tiếp trên quỹ đạo quá trình thu ánh sáng Mặt Trời rồi chuyển năng lượng đó thành tín hiệu microwave.

Thử nghiệm PRAM không truyền điện từ quỹ đạo xuống một trạm mặt đất. Nó chủ yếu kiểm tra phần “solar-to-RF” của chuỗi. Một năm sau, NRL cho biết phần cứng vẫn hoạt động và trong một số điều kiện đạt kết quả ngang hoặc tốt hơn thử nghiệm trước khi phóng. NRL cũng từng trình diễn truyền công suất microwave trên mặt đất ở quy mô kilowatt và khoảng cách kilomet.

ASGARD vì vậy nhằm nối thêm những mắt xích còn thiếu: nhiều tile phải trở thành một cấu trúc lớn, cấu trúc đó phải được robot lắp ngoài không gian, và mảng hoàn chỉnh phải truyền năng lượng xuống Trái Đất. Đây là bài toán hệ thống khó hơn nhiều so với việc chứng minh một tile riêng lẻ có thể chuyển ánh sáng thành RF.

Một demo ở LEO chưa phải nguồn điện 24/7

Space-based solar power thường được quảng bá bằng khả năng thu ánh sáng lâu hơn so với pin mặt trời trên mặt đất và truyền điện tới nơi không có hạ tầng lưới. Nhưng ASGARD dự kiến hoạt động ở quỹ đạo thấp, nơi tàu vẫn đi vào bóng Trái Đất trong một phần quỹ đạo và chỉ bay qua một vị trí mặt đất trong khoảng thời gian hữu hạn. Điều đó phù hợp cho trình diễn công nghệ, nhưng khác xa một vệ tinh điện địa tĩnh cung cấp năng lượng liên tục cho một khu vực.

Một hệ thống vận hành ở quy mô lớn còn phải giải quyết hàng loạt vấn đề mà thông báo hiện tại chưa đưa số liệu: hiệu suất từ ánh sáng tới điện, từ điện sang RF, tổn hao truyền qua khí quyển, kích thước rectenna dưới mặt đất, độ chính xác điều khiển chùm, quản lý nhiệt, độ an toàn và kinh tế của toàn hệ thống. Càng tăng công suất, sai số nhỏ trong từng mắt xích càng trở nên đáng kể.

Ngay cả phần robot cũng chưa thể coi là bài toán đã giải xong. Katalyst đã có phần cứng bay thật với tàu LINK, phóng ngày 3/7/2026 cho nhiệm vụ dự kiến bắt và nâng quỹ đạo kính thiên văn Swift của NASA. Tuy nhiên, NASA cho biết kế hoạch bắt và đẩy Swift đã bị hủy sau sự cố điều khiển tư thế của LINK. Katalyst sau đó vẫn triển khai cả ba cánh tay robot, thực hiện các thao tác cơ động và tới gần Swift trong phạm vi khoảng 12–15 km để thu dữ liệu thử nghiệm, nhưng không tiến hành tiếp xúc.

Chi tiết đó quan trọng vì NEXUS là thế hệ tiếp theo của hướng phát triển robot servicing tại Katalyst. Công ty đã có kinh nghiệm phần cứng trên quỹ đạo, nhưng chưa chứng minh được toàn bộ chuỗi thao tác tự động phức tạp mà ASGARD sẽ cần. Một nhiệm vụ xây mảng năng lượng từ nhiều tile sẽ yêu cầu khả năng kiểm soát chính xác và lặp lại trong thời gian dài hơn một lần rendezvous.

Từ “mang một vệ tinh lên” sang “mang vật liệu lên rồi xây”

Katalyst đã ký với Arianespace để phóng NEXUS-1 lên quỹ đạo chuyển tiếp địa tĩnh trong nửa cuối năm 2027 cho các nhiệm vụ servicing khác. Arianespace xác nhận chuyến bay này sẽ dùng Ariane 6. Tuy nhiên, Katalyst chưa nói trong công bố ASGARD rằng nhiệm vụ power-beaming sẽ dùng chuyến phóng đó hay diễn ra cùng lịch trình, vì vậy không nên coi mốc 2027 là ngày phóng của ASGARD.

Giá trị của thử nghiệm sắp tới nằm ở một câu hỏi cơ bản hơn: liệu một hạ tầng năng lượng có thể được thiết kế ngay từ đầu như một công trình lắp ghép ngoài không gian, thay vì một vệ tinh hoàn chỉnh phải sống vừa trong chiếc rocket? Nếu câu trả lời là có, kích thước công trình trên quỹ đạo sẽ bớt bị ràng buộc bởi fairing. Nhưng để đi từ vài tile robot lắp được tới một hệ thống megawatt, Katalyst và NRL vẫn phải chứng minh tốc độ lắp ráp, độ tin cậy của mối nối, khả năng điều khiển chùm và hiệu suất năng lượng ở quy mô ngày càng lớn.