Một loại sơn vệ tinh siêu đen, có khả năng chống chịu cao mới hứa hẹn sẽ là giải pháp giá cả phải chăng cho vấn đề ô nhiễm ánh sáng vệ tinh đã làm ảnh hưởng đến nghiên cứu thiên văn kể từ khi xuất hiện các chòm sao quỹ đạo thấp gần đây.
Một trong số đó, chòm sao Starlink truyền internet, đã trở thành chủ đề gây tranh cãi kể từ khi phóng lô vệ tinh đầu tiên vào năm 2019. Hàng nghìn tàu vũ trụ của chòm sao này bay quanh quỹ đạo rất thấp đến mức ánh sáng mặt trời mà chúng phản chiếu sáng hơn nhiều ngôi sao theo góc nhìn của chúng ta trên Trái đất. Trong khi cảnh tượng tàu vệ tinh Starlink có thể làm say lòng những người quan sát bầu trời, thì đó lại là cơn ác mộng thực sự đối với các nhà thiên văn học trên toàn thế giới.
Khi Đài quan sát Vera Rubin trị giá 1,9 tỷ đô la mở mắt kính thiên văn của mình lên bầu trời vào cuối tháng này, các nhà thiên văn học dự đoán rằng có tới 40% hình ảnh của đài quan sát sẽ bị giảm chất lượng hoặc bị hủy hoại hoàn toàn do vệt vệ tinh. Đây là một vấn đề tốn kém và sẽ trở nên nghiêm trọng hơn khi số lượng vệ tinh trên quỹ đạo dự kiến sẽ tăng lên hàng chục nghìn trong vài năm tới. Nhưng một loại sơn mới đang được phát triển kết hợp với các nhà thiên văn học có thể giúp ích. Loại sơn có tên Vantablack 310, có thể giảm lượng ánh sáng phản xạ bởi các vệ tinh trên quỹ đạo xuống chỉ còn 2% so với lượng ánh sáng phản xạ bởi các vệ tinh không được phủ, về cơ bản xóa sạch các vệt sáng khó chịu khỏi hình ảnh chụp bằng kính viễn vọng.
Theo Noelia Noël, một nhà vật lý thiên văn tại Đại học Surrey, những vệt vệ tinh này sẽ làm giảm đáng kể lợi nhuận đầu tư khoa học mà kính viễn vọng Vera Rubin do người nộp thuế tài trợ đại diện. Noël, người dự kiến sẽ tham gia sứ mệnh kéo dài mười năm của Rubin để lập bản đồ bầu trời với chi tiết chưa từng có, đã lo lắng về việc mất đi bầu trời tối nguyên sơ trong nhiều năm.
Là người bản xứ Argentina, Noël lớn lên trong sự kinh ngạc trước bầu trời phía nam đầy sao và đau đớn nhận thức được sự xuống cấp của nó. Những lo lắng đó đã khiến cô thiết lập quan hệ đối tác với Surrey NanoSystems, một công ty con của Đại học Surrey, nơi đã phát triển lớp phủ siêu đen cho các thiết bị khoa học trên vệ tinh. Quan hệ đối tác này hiện đã sản xuất ra một loại sơn không gian đen hơn cả đen, phản xạ ít ánh sáng hơn các loại sơn thay thế hiện có và có thể dễ dàng được các nhà sản xuất vệ tinh áp dụng trong phòng sạch của họ.
"Trong năm năm qua, loài người đã phóng nhiều vệ tinh vào không gian hơn so với 60 năm trước đó", Noël nói với Space.com. "Đây là một vấn đề thực sự đối với thiên văn học, đặc biệt là đối với các kính thiên văn như Vera Rubin, vốn đã phải thay đổi đáng kể chiến lược quan sát của mình để tránh các cụm vệ tinh. Vì vậy, tôi muốn làm điều gì đó về vấn đề này."
các lớp phủ trước đây của Surrey NanoSystems, mặc dù rất tinh tế trong việc phản xạ ánh sáng (lớp phủ hiệu suất cao Vantablack hàng đầu hấp thụ 99,9% tia nắng mặt trời chiếu tới), nhưng lại dựa trên công nghệ nano tinh vi đòi hỏi một quy trình ứng dụng phức tạp về mặt kỹ thuật. Sau khi phủ, lớp phủ không thể chạm vào bằng tay người, nếu không lớp phủ sẽ mất đi tính chất chống phản xạ.
"Lớp phủ trước đây dựa trên cấu trúc ống nano carbon không thể chạm vào vì nó sẽ sụp đổ", Kieran Clifford, nhà khoa học vật liệu tại Surrey NanoSystems, nói với Space.com. "Chúng tôi cần thứ gì đó mà các kỹ sư có thể dễ dàng xử lý tại cơ sở của họ".
Lớp phủ mới dựa trên hỗn hợp độc quyền của carbon đen, một dạng carbon giống như bồ hóng, trộn với chất kết dính đặc biệt giúp lớp sơn có khả năng chống chịu với các điều kiện khắc nghiệt trong không gian gần Trái Đất. Trong các cuộc thử nghiệm, lớp phủ mới này vượt trội hơn các loại sơn tương tự khác hiện có trên thị trường không chỉ về khả năng hấp thụ ánh sáng mà còn về độ bền trong không gian, Clifford cho biết.
"Chúng tôi đã tiến hành các thử nghiệm mô phỏng ba năm trên quỹ đạo và lớp phủ của chúng tôi chịu được điều đó với những thay đổi không đáng kể trong khi các loại sơn vũ trụ khác bị xói mòn hoàn toàn", Clifford cho biết. "Lớp phủ của chúng tôi cũng mang lại hiệu suất quang học tốt hơn. Trong khi lớp phủ của đối thủ phản xạ khoảng 5% ánh sáng đi vào, lớp phủ Vantablack 310 chỉ phản xạ 2% ánh sáng trên quang phổ khả kiến và hồng ngoại gần."
SpaceX trước đây đã thử nghiệm sơn tối màu để giảm độ sáng của vệ tinh, nhưng những thử nghiệm đó mang lại kết quả không đồng nhất. Trong một số trường hợp, các vệ tinh bắt đầu quá nhiệt do lượng ánh sáng hấp thụ. Clifford tin rằng loại sơn mới sẽ không gây ra những vấn đề như vậy và sẽ khiến các vệ tinh ít bị phát hiện hơn nhiều so với Starlink hiện tại.
"Chúng tôi biết từ một số mô phỏng mà chúng tôi đã thực hiện rằng lớp phủ của chúng tôi sẽ khiến các vệ tinh trở nên vô hình với mắt thường", Clifford cho biết. "Về độ sáng, độ sáng đó khoảng cấp 7 trong khi vệ tinh Starlink có cấp từ cấp 3 đến cấp 5."
Độ sáng là thước đo độ sáng của các vật thể thiên văn, nghịch đảo với độ sáng thực tế của vật thể. Số cấp càng thấp thì vật thể càng sáng. Thang độ sáng là logarit, nghĩa là độ sáng quan sát được tăng theo cấp số nhân khi số cấp giảm dần.
Surrey NanoSystems và Đại học Surrey sẽ thử nghiệm lớp phủ Vantablack 310 trong không gian trên vệ tinh sinh viên Jovian 1, vệ tinh này sẽ mang theo một loạt tải trọng do các trường đại học Anh chế tạo lên quỹ đạo Trái Đất thấp vào năm tới.
"Mặt sau của tấm pin mặt trời có thể triển khai của vệ tinh sẽ được phủ Vantablack 310 và chúng tôi sẽ xoay vệ tinh trong khi thực hiện các phép đo trên mặt đất để quan sát những thay đổi về độ sáng", Clifford cho biết.
Công ty hiện đang đàm phán với các nhà sản xuất vệ tinh. Họ hy vọng rằng tính dễ sử dụng của sơn, độ bền tuyệt vời và khả năng giảm độ sáng của nó sẽ truyền cảm hứng cho họ sử dụng nó trên các vệ tinh của mình trong tương lai.
"Tôi không muốn quá lạc quan, nhưng tôi hy vọng rằng với giải pháp mới này, chúng tôi có thể truyền cảm hứng cho một số thay đổi về chính sách", Noël cho biết. "Vệ tinh là một công nghệ tuyệt vời, nhưng chúng tôi cũng muốn đảm bảo rằng bầu trời vẫn có thể tiếp cận được với mọi người. Kính thiên văn lớn là một khoản đầu tư lớn và chúng tôi muốn đảm bảo rằng nó không bị lãng phí".
Một trong số đó, chòm sao Starlink truyền internet, đã trở thành chủ đề gây tranh cãi kể từ khi phóng lô vệ tinh đầu tiên vào năm 2019. Hàng nghìn tàu vũ trụ của chòm sao này bay quanh quỹ đạo rất thấp đến mức ánh sáng mặt trời mà chúng phản chiếu sáng hơn nhiều ngôi sao theo góc nhìn của chúng ta trên Trái đất. Trong khi cảnh tượng tàu vệ tinh Starlink có thể làm say lòng những người quan sát bầu trời, thì đó lại là cơn ác mộng thực sự đối với các nhà thiên văn học trên toàn thế giới.
Khi Đài quan sát Vera Rubin trị giá 1,9 tỷ đô la mở mắt kính thiên văn của mình lên bầu trời vào cuối tháng này, các nhà thiên văn học dự đoán rằng có tới 40% hình ảnh của đài quan sát sẽ bị giảm chất lượng hoặc bị hủy hoại hoàn toàn do vệt vệ tinh. Đây là một vấn đề tốn kém và sẽ trở nên nghiêm trọng hơn khi số lượng vệ tinh trên quỹ đạo dự kiến sẽ tăng lên hàng chục nghìn trong vài năm tới. Nhưng một loại sơn mới đang được phát triển kết hợp với các nhà thiên văn học có thể giúp ích. Loại sơn có tên Vantablack 310, có thể giảm lượng ánh sáng phản xạ bởi các vệ tinh trên quỹ đạo xuống chỉ còn 2% so với lượng ánh sáng phản xạ bởi các vệ tinh không được phủ, về cơ bản xóa sạch các vệt sáng khó chịu khỏi hình ảnh chụp bằng kính viễn vọng.
Theo Noelia Noël, một nhà vật lý thiên văn tại Đại học Surrey, những vệt vệ tinh này sẽ làm giảm đáng kể lợi nhuận đầu tư khoa học mà kính viễn vọng Vera Rubin do người nộp thuế tài trợ đại diện. Noël, người dự kiến sẽ tham gia sứ mệnh kéo dài mười năm của Rubin để lập bản đồ bầu trời với chi tiết chưa từng có, đã lo lắng về việc mất đi bầu trời tối nguyên sơ trong nhiều năm.
Là người bản xứ Argentina, Noël lớn lên trong sự kinh ngạc trước bầu trời phía nam đầy sao và đau đớn nhận thức được sự xuống cấp của nó. Những lo lắng đó đã khiến cô thiết lập quan hệ đối tác với Surrey NanoSystems, một công ty con của Đại học Surrey, nơi đã phát triển lớp phủ siêu đen cho các thiết bị khoa học trên vệ tinh. Quan hệ đối tác này hiện đã sản xuất ra một loại sơn không gian đen hơn cả đen, phản xạ ít ánh sáng hơn các loại sơn thay thế hiện có và có thể dễ dàng được các nhà sản xuất vệ tinh áp dụng trong phòng sạch của họ.
"Trong năm năm qua, loài người đã phóng nhiều vệ tinh vào không gian hơn so với 60 năm trước đó", Noël nói với Space.com. "Đây là một vấn đề thực sự đối với thiên văn học, đặc biệt là đối với các kính thiên văn như Vera Rubin, vốn đã phải thay đổi đáng kể chiến lược quan sát của mình để tránh các cụm vệ tinh. Vì vậy, tôi muốn làm điều gì đó về vấn đề này."
các lớp phủ trước đây của Surrey NanoSystems, mặc dù rất tinh tế trong việc phản xạ ánh sáng (lớp phủ hiệu suất cao Vantablack hàng đầu hấp thụ 99,9% tia nắng mặt trời chiếu tới), nhưng lại dựa trên công nghệ nano tinh vi đòi hỏi một quy trình ứng dụng phức tạp về mặt kỹ thuật. Sau khi phủ, lớp phủ không thể chạm vào bằng tay người, nếu không lớp phủ sẽ mất đi tính chất chống phản xạ.
"Lớp phủ trước đây dựa trên cấu trúc ống nano carbon không thể chạm vào vì nó sẽ sụp đổ", Kieran Clifford, nhà khoa học vật liệu tại Surrey NanoSystems, nói với Space.com. "Chúng tôi cần thứ gì đó mà các kỹ sư có thể dễ dàng xử lý tại cơ sở của họ".
Lớp phủ mới dựa trên hỗn hợp độc quyền của carbon đen, một dạng carbon giống như bồ hóng, trộn với chất kết dính đặc biệt giúp lớp sơn có khả năng chống chịu với các điều kiện khắc nghiệt trong không gian gần Trái Đất. Trong các cuộc thử nghiệm, lớp phủ mới này vượt trội hơn các loại sơn tương tự khác hiện có trên thị trường không chỉ về khả năng hấp thụ ánh sáng mà còn về độ bền trong không gian, Clifford cho biết.
"Chúng tôi đã tiến hành các thử nghiệm mô phỏng ba năm trên quỹ đạo và lớp phủ của chúng tôi chịu được điều đó với những thay đổi không đáng kể trong khi các loại sơn vũ trụ khác bị xói mòn hoàn toàn", Clifford cho biết. "Lớp phủ của chúng tôi cũng mang lại hiệu suất quang học tốt hơn. Trong khi lớp phủ của đối thủ phản xạ khoảng 5% ánh sáng đi vào, lớp phủ Vantablack 310 chỉ phản xạ 2% ánh sáng trên quang phổ khả kiến và hồng ngoại gần."
SpaceX trước đây đã thử nghiệm sơn tối màu để giảm độ sáng của vệ tinh, nhưng những thử nghiệm đó mang lại kết quả không đồng nhất. Trong một số trường hợp, các vệ tinh bắt đầu quá nhiệt do lượng ánh sáng hấp thụ. Clifford tin rằng loại sơn mới sẽ không gây ra những vấn đề như vậy và sẽ khiến các vệ tinh ít bị phát hiện hơn nhiều so với Starlink hiện tại.
"Chúng tôi biết từ một số mô phỏng mà chúng tôi đã thực hiện rằng lớp phủ của chúng tôi sẽ khiến các vệ tinh trở nên vô hình với mắt thường", Clifford cho biết. "Về độ sáng, độ sáng đó khoảng cấp 7 trong khi vệ tinh Starlink có cấp từ cấp 3 đến cấp 5."
Độ sáng là thước đo độ sáng của các vật thể thiên văn, nghịch đảo với độ sáng thực tế của vật thể. Số cấp càng thấp thì vật thể càng sáng. Thang độ sáng là logarit, nghĩa là độ sáng quan sát được tăng theo cấp số nhân khi số cấp giảm dần.
Surrey NanoSystems và Đại học Surrey sẽ thử nghiệm lớp phủ Vantablack 310 trong không gian trên vệ tinh sinh viên Jovian 1, vệ tinh này sẽ mang theo một loạt tải trọng do các trường đại học Anh chế tạo lên quỹ đạo Trái Đất thấp vào năm tới.
"Mặt sau của tấm pin mặt trời có thể triển khai của vệ tinh sẽ được phủ Vantablack 310 và chúng tôi sẽ xoay vệ tinh trong khi thực hiện các phép đo trên mặt đất để quan sát những thay đổi về độ sáng", Clifford cho biết.
Công ty hiện đang đàm phán với các nhà sản xuất vệ tinh. Họ hy vọng rằng tính dễ sử dụng của sơn, độ bền tuyệt vời và khả năng giảm độ sáng của nó sẽ truyền cảm hứng cho họ sử dụng nó trên các vệ tinh của mình trong tương lai.
"Tôi không muốn quá lạc quan, nhưng tôi hy vọng rằng với giải pháp mới này, chúng tôi có thể truyền cảm hứng cho một số thay đổi về chính sách", Noël cho biết. "Vệ tinh là một công nghệ tuyệt vời, nhưng chúng tôi cũng muốn đảm bảo rằng bầu trời vẫn có thể tiếp cận được với mọi người. Kính thiên văn lớn là một khoản đầu tư lớn và chúng tôi muốn đảm bảo rằng nó không bị lãng phí".
