Anh rót 70 triệu bảng cho “trạm phát băng rộng biết bay”, thử nghiệm truyền điện từ mặt đất lên tầng bình lưu

Cơ quan Nghiên cứu và Phát minh Tiên tiến của Vương quốc Anh (ARIA) vừa công bố gói tài trợ 70 triệu bảng Anh cho 18 dự án công nghệ nhằm đưa kết nối Internet lên bầu trời bằng các máy bay hoạt động ở độ cao lớn. Mục tiêu của chương trình là tạo ra một lựa chọn thay thế cho vệ tinh quỹ đạo trong việc phủ sóng tới những khu vực còn thiếu hạ tầng mạng mặt đất, đặc biệt tại Anh và các vùng khó tiếp cận khác trên thế giới.

Trọng tâm của chương trình là HAPS, viết tắt của high-altitude pseudo-satellites, có thể hiểu là “giả vệ tinh tầng cao”. Đây là các phương tiện bay hoạt động rất lâu ở tầng bình lưu, tức lớp khí quyển nằm trên tầng đối lưu, thường ở độ cao khoảng 20 km. Không giống vệ tinh thật bay ngoài không gian theo quỹ đạo, HAPS lơ lửng trong khí quyển nhưng có thể đảm nhiệm các vai trò tương tự như chuyển tiếp tín hiệu viễn thông, giám sát hoặc quan sát. ARIA cho rằng vệ tinh vẫn là giải pháp mặc định để phục vụ các cộng đồng ngoài vùng phủ sóng, nhưng khoảng cách quá xa và các ràng buộc quỹ đạo khiến chúng bị giới hạn về độ trễ, khả năng linh hoạt và chi phí triển khai trong một số kịch bản.

Theo yêu cầu của chương trình Enduring Atmospheric Platforms, một nền tảng bay thành công phải có khả năng cung cấp liên tục 300 W điện cho tải viễn thông trong trọn một tuần, đồng thời giữ vị trí ổn định phía trên lãnh thổ Anh. “Tải viễn thông” ở đây là các thiết bị mang theo để phát, thu hoặc chuyển tiếp tín hiệu mạng. Đây là bài toán khó vì máy bay không chỉ cần tiết kiệm năng lượng mà còn phải đủ tin cậy để duy trì hoạt động dài ngày trong môi trường tầng cao nhiều biến động.

ARIA chia các dự án thành ba nhóm kỹ thuật. Nhóm TA1 tập trung vào các công nghệ nền tảng hỗ trợ, như nguồn điện, vật liệu hoặc điều hướng. Nhóm TA2 phụ trách tích hợp hệ thống và thử nghiệm, tức ghép các thành phần riêng lẻ thành một nền tảng bay hoàn chỉnh rồi kiểm chứng ngoài thực địa. Trong khi đó, TA3 hướng đến triển khai vận hành và truyền thông, nghĩa là cách đưa các hệ thống này vào khai thác thực tế để cung cấp kết nối.

Một trong các dự án được chú ý là Carousel của startup hàng không vũ trụ Menapia. Ý tưởng của dự án là xây dựng một “chòm” máy bay đa rotor bay ở độ cao lớn, có thể hoạt động thường lệ ở mức tới 20 km để tạo thành một lớp phủ liên tục trên bầu trời nước Anh. Khái niệm “chòm” ở đây tương tự constellation trong lĩnh vực vệ tinh, tức nhiều thiết bị phối hợp với nhau để tạo vùng phủ rộng và bền vững. Trong khi đó, VFP Aerospace phát triển Enduring Drone Networks theo hướng dùng đội thiết bị bay thay phiên nhau: một số chiếc hoạt động ở độ cao phục vụ, số khác quay về trạm mặt đất để sạc rồi tiếp tục thay ca. Công ty này đặt mục tiêu chi phí sản xuất khoảng 50.000 bảng cho mỗi drone, một mức giá cho thấy tham vọng thương mại hóa ở quy mô lớn.

Điểm đáng chú ý nhất của chương trình là các công nghệ “power beaming”, tức truyền năng lượng không dây theo chùm định hướng từ mặt đất lên thiết bị bay. Scalable Laser Ltd đang phát triển giải pháp dùng laser công suất cao kết hợp diode laser và bộ thu quang điện tiên tiến. Bộ thu quang điện, hay photovoltaic receiver, là thành phần chuyển ánh sáng nhận được thành điện năng để nuôi hệ thống trên không. Song song, Space Solar Engineering Ltd theo đuổi phương án truyền điện bằng sóng vô tuyến tần số radio, còn gọi là radio frequency power beaming. Cách tiếp cận này có thể giúp HAPS nhận điện liên tục mà không phải hạ cánh thường xuyên, dù vẫn còn nhiều thách thức về hiệu suất, an toàn và độ chính xác khi chĩa chùm năng lượng vào mục tiêu ở độ cao lớn.

Ngoài truyền điện từ mặt đất, nguồn năng lượng trên khoang bay cũng là một mảng then chốt. Hypanode Ltd đang phát triển hệ thống pin nhiên liệu, hay fuel cell, với kỳ vọng cung cấp mức năng lượng cao gấp 20 lần công nghệ pin hiện nay. Pin nhiên liệu là thiết bị tạo ra điện thông qua phản ứng hóa học, thường cho mật độ năng lượng cao hơn pin sạc truyền thống, nhờ đó phù hợp với các nhiệm vụ cần bay lâu mà khối lượng phải giữ ở mức thấp.

Trong số các ý tưởng lạ hơn, Đại học Bath đang thực hiện dự án STRAT-NAV, viết tắt của Stratospheric Navigation and Gravity. Dự án này tìm cách giúp HAPS dự đoán và tận dụng atmospheric gravity waves, tức sóng trọng lực khí quyển. Đây không phải sóng hấp dẫn trong vật lý thiên văn, mà là các gợn dao động trong không khí hình thành khi luồng khí bị đẩy lên bởi địa hình hoặc mặt trận thời tiết rồi bị trọng lực kéo xuống. Nếu dự đoán tốt các chuyển động này, máy bay có thể “đi nhờ” năng lượng tự nhiên trong khí quyển để tiết kiệm điện và kéo dài thời gian bám trụ trên không.

Theo ARIA, thành công của chương trình không chỉ nằm ở việc tạo ra một nền tảng kết nối mới, mà còn ở việc đưa Anh trở thành nơi ngành công nghiệp nền tảng tầng cao được thiết kế, chế tạo và mở rộng quy mô. Lãnh đạo chương trình Rico Chandra cho biết cơ quan này sẵn sàng hỗ trợ cả các ý tưởng táo bạo, từ máy bay cánh cố định chạy năng lượng mặt trời đến những thiết kế khác thường như hệ thống bay dùng cánh quay thay cho cánh quạt truyền thống.

ARIA thường được so sánh với DARPA của Mỹ, cơ quan nổi tiếng tài trợ cho các nghiên cứu rủi ro cao nhưng có thể tạo đột phá lớn, dù ngân sách của phía Anh khiêm tốn hơn đáng kể. Với chương trình kéo dài ba năm rưỡi, ARIA đang đặt cược rằng hạ tầng viễn thông tương lai không nhất thiết chỉ nằm dưới đất hoặc ngoài không gian, mà có thể hiện diện ngay trong bầu trời tầng bình lưu. Nếu thành công, các “trạm phát băng rộng biết bay” này có thể mở ra một lớp hạ tầng mạng mới, linh hoạt hơn vệ tinh và nhanh triển khai hơn mạng cáp hoặc cột phát sóng truyền thống.