CRIMSON-1 của Singapore đưa pin mặt trời perovskite và AI lên quỹ đạo

Vệ tinh 5 kg thử nghiệm hai công nghệ

Vệ tinh CRIMSON-1 của Singapore đang thử nghiệm pin mặt trời perovskite linh hoạt và trí tuệ nhân tạo ở độ cao khoảng 520 km phía trên Trái Đất, đưa hai công nghệ trong phòng thí nghiệm vào môi trường có nguồn điện, nhiệt và dung lượng liên lạc bị giới hạn nghiêm ngặt. Tàu vũ trụ nặng 5 kg, có kích thước 30 cm x 10 cm x 10 cm và được thiết kế cho sứ mệnh kéo dài một năm.

Đại học Công nghệ Nanyang, Singapore (NTU) thông báo vệ tinh thứ 14 của trường được phóng bằng tên lửa Falcon 9 của SpaceX trong sứ mệnh Transporter-18, xuất phát từ Căn cứ Lực lượng Không gian Vandenberg ở California. Vụ phóng diễn ra ngày 1 tháng 10 theo giờ California, tương ứng ngày 2 tháng 10 ở Singapore. CRIMSON-1 được triển khai khoảng 55 phút sau khi tên lửa cất cánh, cùng với 130 phương tiện không gian khác được tên lửa đưa lên.

Sứ mệnh gồm hai thí nghiệm riêng biệt. Một thí nghiệm đo độ bền và sản lượng điện của pin mặt trời perovskite do các nhà nghiên cứu NTU và Singfilm Solar phát triển; đây là công ty tách ra từ Đại học Quốc gia Singapore (NUS). Thí nghiệm còn lại xử lý ảnh vệ tinh ngay trên tàu, nhằm kiểm tra liệu AI có thể nhận diện thông tin hữu ích trước khi ảnh được truyền về Trái Đất hay không.

Điểm quan trọng cần phân biệt là các pin perovskite thử nghiệm không cung cấp nguồn điện chính cho vệ tinh. Các tấm pin gallium arsenide truyền thống cấp điện cho CRIMSON-1 trong khi những pin mới được thử nghiệm song song. Việc đưa thí nghiệm lên quỹ đạo tạo cơ hội thu thập bằng chứng, chứ chưa chứng minh perovskite đã sẵn sàng thay thế các hệ thống cấp điện hiện có trên tàu vũ trụ.

Trong thông báo về sứ mệnh CRIMSON-1, NTU cho biết các nhà nghiên cứu sẽ khảo sát hiệu suất pin mặt trời trên quỹ đạo, đồng thời đánh giá khả năng quản lý nhiệt và mức tiêu thụ điện của hệ thống máy tính khi xử lý khối lượng công việc lớn. Chưa có kết quả nào của các thí nghiệm này được công bố.

Điều gì khiến mô-đun pin mặt trời này khác biệt?

Perovskite là vật liệu có cấu trúc tinh thể đặc thù, có thể được dùng để chuyển đổi ánh sáng mặt trời thành điện năng. Sức hấp dẫn của vật liệu này nằm ở khả năng chế tạo pin mặt trời hiệu suất cao, mỏng, nhẹ và sử dụng các vật liệu sẵn có phổ biến. Với tàu vũ trụ, giảm khối lượng hệ thống điện có thể dành thêm tải trọng cho các thiết bị khác.

Mô-đun thử nghiệm của Singfilm Solar có thể uốn cong và được chế tạo trên nền kính siêu mỏng. Trợ lý giáo sư Hou Yi của NUS, nhà sáng lập công ty, mô tả CRIMSON-1 là chuyến bay vào không gian đầu tiên của mô-đun linh hoạt này, đồng thời là lần đầu tiên một mô-đun pin mặt trời do Singapore sản xuất được triển khai trên quỹ đạo. Theo NTU, đây cũng là chuyến bay vào không gian đầu tiên của công nghệ Singfilm.

Cần phân biệt giữa từng tế bào pin mặt trời và mô-đun, tức cụm gồm nhiều tế bào được thiết kế để hoạt động cùng nhau. NTU từng đưa các tế bào perovskite lên vệ tinh ARCADE vào năm 2023. Vì vậy, không nên mô tả CRIMSON-1 là lần đầu tiên trường thử nghiệm bất kỳ loại pin perovskite nào trong không gian.

Thí nghiệm mới mở rộng công việc trước đó sang mô-đun linh hoạt và công nghệ được phát triển cùng Singfilm. Giá trị của thử nghiệm sẽ phụ thuộc vào các phép đo thu được trên quỹ đạo, trong đó có việc mô-đun có duy trì được sản lượng điện hữu ích sau khi phóng và tiếp xúc lâu dài với các điều kiện không gian hay không.

Vì sao độ bền quan trọng ngang hiệu suất?

Pin mặt trời dùng trong không gian phải vượt qua hai thử thách rất khác nhau: các lực cơ học khi tên lửa phóng và điều kiện vận hành sau đó. CRIMSON-1 sẽ đánh giá độ bền vật lý, hiệu suất chuyển đổi và sản lượng điện thực tế trên quỹ đạo Trái Đất tầm thấp.

Kế hoạch đánh giá bao gồm mức độ ảnh hưởng của bức xạ, chân không và chu kỳ nhiệt. Chu kỳ nhiệt là những lần nhiệt độ thay đổi lặp đi lặp lại khi tàu vũ trụ di chuyển qua các điều kiện chiếu sáng khác nhau. Những thay đổi này có thể gây áp lực lên vật liệu và các mối nối, trong khi bức xạ có thể ảnh hưởng đến cả pin mặt trời lẫn thiết bị điện tử.

Giáo sư Christian Wolfrum, Phó Chủ tịch kiêm Hiệu trưởng NTU, cho biết sứ mệnh đưa nghiên cứu pin mặt trời và điện toán AI vào môi trường cần thiết để xác định liệu các công nghệ này có hoạt động như dự kiến hay không:

Những công nghệ này chỉ có thể được kiểm chứng trong điều kiện không gian thực tế, và chương trình vệ tinh của NTU đã thực hiện điều đó suốt ba thập kỷ qua. CRIMSON-1 là sứ mệnh thứ 14 của chúng tôi.

Thử nghiệm kéo dài một năm nhằm cung cấp bằng chứng về hiệu suất theo thời gian, thay vì chỉ một phép đo đơn lẻ ngay sau khi triển khai. NTU chưa công bố các mục tiêu định lượng về sản lượng điện chấp nhận được, mức suy giảm hiệu suất hay sự xuống cấp của vật liệu.

Lợi thế về chi phí cần được chứng minh trên quỹ đạo

Perovskite có sức hấp dẫn đáng kể về mặt tài chính, nhưng đây vẫn là triển vọng chứ chưa phải khoản tiết kiệm được chứng minh qua sứ mệnh này. Giá được công bố của pin mặt trời gallium arsenide dùng trong không gian dao động từ 250 đến 450 USD mỗi watt. Pin silicon thông thường dùng trên Trái Đất có giá dưới 1 USD mỗi watt.

Theo các mức giá đó, pin gallium arsenide đắt hơn mức tham chiếu silicon từ 250 đến 450 lần. So sánh này cho thấy khoảng cách chi phí giữa hai công nghệ, nhưng không phải là sự so sánh trực tiếp giữa các sản phẩm có thể thay thế cho nhau. Giá thấp của pin mặt trời trên mặt đất không chứng minh rằng loại pin đó đáp ứng được yêu cầu vận hành của tàu vũ trụ.

Chưa có giá sản xuất trên mỗi watt của mô-đun perovskite trên CRIMSON-1 được công bố. Do đó, sứ mệnh hiện chưa thể làm cơ sở để tính toán số tiền mà một đơn vị vận hành vệ tinh có thể tiết kiệm nếu áp dụng công nghệ này. Độ tin cậy, sản lượng điện hữu dụng và chi phí tích hợp cũng là những yếu tố cần tính đến.

Năm 2024, Singfilm công bố hiệu suất chuyển đổi điện năng 22,6% đối với một tấm pin mặt trời perovskite. Hiệu suất chuyển đổi cho biết tỷ lệ ánh sáng mặt trời chiếu tới được chuyển thành điện năng. Con số này cung cấp thông tin tham khảo về quá trình phát triển công nghệ của công ty, nhưng không phải phép đo trên quỹ đạo hay kết quả hiệu suất đã được công bố của tải trọng CRIMSON-1.

Nghiên cứu perovskite của NTU bắt đầu từ một bài báo đăng trên tạp chí Science năm 2013, cho thấy điện tích có thể di chuyển những quãng đường khác thường trong vật liệu perovskite. Phát hiện đó góp phần lý giải hiệu suất chuyển đổi năng lượng mặt trời cao của vật liệu. Các nghiên cứu sau đó hướng tới mô-đun lớn hơn và nguyên mẫu nhằm cải thiện hiệu suất cũng như độ ổn định. CRIMSON-1 hiện kiểm tra liệu công nghệ này có thể duy trì các đặc tính hữu ích bên ngoài phòng thí nghiệm hay không.

AI chọn ảnh hữu ích trước khi truyền về

CRIMSON-1 được mô tả là vệ tinh nano đầu tiên của Singapore được trang bị AI. Thí nghiệm điện toán trên vệ tinh sẽ phân tích và lọc ảnh, bao gồm chọn ảnh không bị mây che phủ và nhận diện các đám cháy rừng hoặc sự cố tràn dầu tiềm tàng.

Đây là AI biên: hoạt động tính toán được thực hiện gần nơi dữ liệu được thu thập, thay vì gửi toàn bộ thông tin thô đến một máy tính ở xa. Trong trường hợp này, vệ tinh chính là thiết bị biên. Mục tiêu là truyền đi những hình ảnh hữu ích hoặc cảnh báo về sự kiện có thể xảy ra, thay vì gửi mọi ảnh về để người trên Trái Đất kiểm tra.

Dung lượng liên lạc vệ tinh có giới hạn. Lọc ảnh trên quỹ đạo có thể giảm lượng dữ liệu thô cần truyền và khối lượng công việc sắp xếp thủ công dưới mặt đất. Sứ mệnh đang thử nghiệm phương pháp này, chứ chưa công bố một dịch vụ phát hiện thảm họa đã được chứng minh.

Chưa có thông tin về độ chính xác khi phát hiện, tỷ lệ cảnh báo sai hay mức giảm dữ liệu truyền tải được đo lường. Một cảnh báo AI về khả năng có cháy hoặc tràn dầu không đồng nghĩa với việc sự kiện đã được xác nhận. Cần có kết quả thí nghiệm để đánh giá liệu các lựa chọn của hệ thống có đủ tin cậy cho mục đích vận hành hay không.

Điện toán cũng đòi hỏi điện năng và tạo nhiệt

Xử lý ảnh trên một tàu vũ trụ nhỏ tạo ra sự đánh đổi. Gửi ít thông tin hơn về Trái Đất có thể tiết kiệm dung lượng liên lạc, nhưng chạy AI tiêu thụ điện và sinh nhiệt. Các nhà nghiên cứu của CRIMSON-1 sẽ xem xét cách hệ thống máy tính quản lý cả hai yếu tố này khi phải xử lý khối lượng công việc lớn.

Quản lý nhiệt đặc biệt quan trọng trong chân không, nơi tàu vũ trụ không thể làm mát bằng không khí xung quanh như máy tính trên Trái Đất. Thiết kế của tàu phải dẫn nhiệt qua các cấu trúc và thải nhiệt bằng bức xạ. Thí nghiệm sẽ giúp xác định cách phần cứng điện toán được lựa chọn hoạt động trong môi trường đó.

Vì vậy, các thử nghiệm pin mặt trời và điện toán cùng giải quyết những hạn chế kỹ thuật có liên quan, dù đây vẫn là hai thí nghiệm riêng biệt. Tàu vũ trụ trong tương lai sử dụng nhiều công nghệ tính toán trên tàu hơn sẽ cần hệ thống điện đủ khả năng đáp ứng. CRIMSON-1 đang thử nghiệm một công nghệ pin mặt trời tiềm năng cho tương lai, nhưng dùng các tấm pin đã được kiểm chứng để cấp điện cho hoạt động của chính nó.

Hou cho biết pin mặt trời dành cho vệ tinh tương lai và các trung tâm dữ liệu AI có thể hoạt động trong không gian là những hướng có thể nghiên cứu thêm. Bản thân CRIMSON-1 không phải trung tâm dữ liệu AI đang hoạt động, và sứ mệnh cũng không chứng minh mô-đun perovskite có thể cấp điện cho một trung tâm như vậy. Vai trò của vệ tinh là thu thập số liệu để phục vụ thiết kế về sau.

Ai chế tạo, triển khai và hỗ trợ sứ mệnh?

Trung tâm Nghiên cứu Vệ tinh của NTU phụ trách sứ mệnh, tập hợp các công việc về kỹ thuật tàu vũ trụ, chuẩn bị phóng, điều khiển sứ mệnh và vận hành trên quỹ đạo. NTU cho biết các nhà nghiên cứu của trường hợp tác với đơn vị tích hợp phóng Exolaunch, nơi cung cấp năng lực phóng, quản lý sứ mệnh, tích hợp và dịch vụ triển khai. CRIMSON-1 được triển khai bằng hệ thống EXOpod Nova của Exolaunch.

Các thông tin hiện có khác nhau về đơn vị chế tạo tàu vũ trụ. Một nguồn cho biết công ty Singapore Satoro Space là đơn vị chế tạo, tích hợp công nghệ AI của NTU và pin mặt trời thử nghiệm vào tàu. Một nguồn khác ghi công việc chế tạo cho Trung tâm Nghiên cứu Vệ tinh của NTU. Thông báo của NTU nêu trung tâm là đơn vị phụ trách sứ mệnh và cho biết các đối tác trong nước tham gia, nhưng không mô tả chi tiết việc phân chia các khâu chế tạo.

Cơ quan Phát triển Truyền thông Thông tin Singapore (IMDA) hỗ trợ sứ mệnh bằng cách bảo đảm tần số vệ tinh và tài nguyên quỹ đạo thông qua Liên minh Viễn thông Quốc tế. Phổ tần là các tần số vô tuyến dùng để liên lạc giữa vệ tinh và các trạm trên Trái Đất.

Lịch sử của trường bao gồm việc phóng X-SAT năm 2011, vệ tinh đầu tiên của Singapore được chế tạo trong nước. Sứ mệnh thứ 13 của trường, VELOX-AM, được phóng vào tháng 7 năm 2023 và theo NTU đã hoàn thành sứ mệnh, rời quỹ đạo vào tháng 8 năm 2026. CRIMSON-1 tiếp nối chương trình chế tạo, thử nghiệm và vận hành tàu vũ trụ này.

Chương trình tài trợ của Singapore kết nối phát triển công nghệ với thử nghiệm ngoài không gian

CRIMSON-1 là một trong những dự án đầu tiên được Cơ quan Không gian Quốc gia Singapore (NSAS) hỗ trợ thông qua Chương trình Tiếp cận Không gian. Chương trình này thuộc Chương trình Phát triển Công nghệ Không gian, trong khuôn khổ đó Singapore đã dành 210 triệu SGD từ năm 2022 cho nghiên cứu không gian và phát triển năng lực quốc gia.

Trang Chương trình Phát triển Công nghệ Không gian của chính phủ, cập nhật ngày 17 tháng 3 năm 2026, cho biết Văn phòng Công nghệ và Công nghiệp Không gian đã bảo đảm thêm 60 triệu SGD vào năm 2024. Trang này mô tả STDP 2.0 là chương trình tiếp nối từ năm 2025. Nội dung không xác nhận rằng khoản 60 triệu SGD này cần được cộng thêm một lần nữa vào con số 210 triệu SGD được nêu cho chương trình.

Chương trình có ba hạng mục tài trợ: phát triển công nghệ, kiểm định và thử nghiệm, tiếp cận không gian. Hạng mục cuối hỗ trợ các thử nghiệm nhằm xác lập lịch sử hoạt động trong không gian, tức hồ sơ được ghi nhận về việc một công nghệ vận hành trên quỹ đạo. Pin mặt trời, vật liệu tiên tiến, hệ thống điện toán và các tải trọng khác được liệt kê làm ví dụ.

Các trường đại học, viện nghiên cứu và đối tác trong ngành của Singapore có thể nộp đơn. Các tổ chức nước ngoài phải tìm đối tác trong nước. Viễn thám và liên lạc vệ tinh là những lĩnh vực được ưu tiên; NSAS cũng đang tìm hiểu dịch vụ bảo dưỡng tàu vũ trụ trên quỹ đạo, sản xuất trong không gian và khoa học sự sống trong không gian.

Với CRIMSON-1, lịch sử hoạt động trong không gian là cầu nối giữa nghiên cứu và khả năng thương mại hóa. Phóng thành công là một cột mốc. Bằng chứng cho thấy mô-đun hoặc hệ thống điện toán tiếp tục hoạt động trong điều kiện quỹ đạo là một cột mốc riêng để khách hàng tiềm năng đánh giá.

Các cột mốc và bước tiếp theo

Sứ mệnh kết hợp hơn một thập kỷ nghiên cứu pin mặt trời và phát triển vệ tinh. Các mốc thời gian chính cho thấy tiến trình đó:

• 2011: X-SAT, vệ tinh đầu tiên của Singapore được chế tạo trong nước, được phóng.
• 2013: Các nhà nghiên cứu NTU công bố trên tạp chí Science phát hiện về sự vận chuyển điện tích qua vật liệu perovskite.
• Từ năm 2022: Singapore dành 210 triệu SGD cho Chương trình Phát triển Công nghệ Không gian.
• 2023: NTU đưa các tế bào perovskite lên vệ tinh ARCADE; VELOX-AM được phóng vào tháng 7.
• 2024: Singfilm công bố hiệu suất chuyển đổi của tấm pin mặt trời đạt 22,6%, và chính phủ bảo đảm thêm 60 triệu SGD cho phát triển công nghệ không gian.
• Tháng 8 năm 2026: Theo NTU, VELOX-AM rời quỹ đạo sau khi hoàn thành sứ mệnh.
• Ngày 1 tháng 10 ở California, ngày 2 tháng 10 ở Singapore: CRIMSON-1 được phóng với kế hoạch hoạt động trong một năm.

Thông báo của NTU nêu ngày và tháng phóng nhưng không ghi rõ năm. Ngày 1 và ngày 2 tháng 10 phản ánh chênh lệch múi giờ giữa California và Singapore, chứ không phải hai vụ phóng riêng biệt.

Cột mốc quan trọng tiếp theo là thu nhận dữ liệu hiệu suất. Chưa có ngày công bố kết quả ban đầu hay lịch trình công bố mức suy giảm của pin mặt trời, độ chính xác của AI hoặc mức tiêu thụ điện của hệ thống máy tính.

Riêng NTU và công ty công nghệ Nhật Bản Fusic đang tìm hiểu các hệ thống AI trên mặt đất để lập lịch cho sứ mệnh, phân bổ trạm mặt đất, vận hành thường lệ và phát hiện sớm các vấn đề kỹ thuật. Công việc đó tập trung vào quản lý vệ tinh từ Trái Đất, trong khi CRIMSON-1 thử nghiệm xử lý ảnh ngay trên tàu vũ trụ.

Điểm chính

• CRIMSON-1 là vệ tinh thứ 14 của NTU, nặng 5 kg và được triển khai ở độ cao khoảng 520 km phía trên Trái Đất.
• Sứ mệnh dự kiến kéo dài một năm, thử nghiệm pin mặt trời perovskite cùng công nghệ xử lý ảnh bằng AI.
• Các tấm pin gallium arsenide cấp nguồn điện chính cho vệ tinh; pin perovskite là tải trọng thử nghiệm.
• Mô-đun linh hoạt của Singfilm sử dụng kính siêu mỏng. NTU từng thử nghiệm các tế bào perovskite trên vệ tinh ARCADE vào năm 2023.
• Các nhà nghiên cứu sẽ đo độ bền và sản lượng pin mặt trời, đồng thời đánh giá khả năng quản lý nhiệt và mức tiêu thụ điện của hệ thống máy tính.
• Chương trình Tiếp cận Không gian của Singapore hỗ trợ sứ mệnh trong khuôn khổ cam kết 210 triệu SGD cho phát triển công nghệ không gian từ năm 2022.
• Chưa có kết quả hiệu suất trên quỹ đạo hay ngày công bố kết quả ban đầu.