Các nhà khoa học tại Viện Công nghệ California đã có bước tiến lớn trong việc phát triển cánh buồm ánh sáng có thể đưa tàu vũ trụ nhỏ đến các hệ sao xa xôi trong tương lai.
Những phát hiện mới nêu chi tiết phương pháp đo lực của ánh sáng laser trên cái được gọi là "màng siêu mỏng". Đây là nghiên cứu có thể giúp thúc đẩy tầm nhìn của Sáng kiến Breakthrough Starshot về du hành vũ trụ bằng laser.
Được khởi động vào năm 2016 bởi cố Stephen Hawking và nhà đầu tư công nghệ Yuri Milner, Breakthrough Starshot có mục tiêu gửi các tàu thăm dò thu nhỏ đến Alpha Centauri, hệ sao gần Trái đất nhất. Kế hoạch dựa vào các tia laser công suất cao trên Trái Đất đẩy các đầu dò chạy bằng buồm mỏng manh trong vũ trụ giống như gió làm với thuyền buồm ở đây trên hành tinh này, cho phép tàu đạt được tốc độ phá kỷ lục mà không cần chất đẩy hóa học.
Lightsails là dạng chung hơn của cánh buồm mặt trời, ở chỗ chúng sử dụng áp suất bức xạ từ nguồn sáng để tạo ra lực đẩy. Áp suất bức xạ là sự truyền động lượng từ bức xạ chiếu vào bề mặt giống như gió tác động lên cánh buồm vải ở đây trên Trái Đất. Các photon không có khối lượng, nhưng chúng vẫn truyền một phần động lượng của mình khi va vào vật thể, đẩy vật thể đi một chút. Một photon đơn lẻ không tạo ra nhiều khác biệt, nhưng hàng nghìn tỷ và hàng nghìn tỷ photon cùng chiếu vào một bề mặt sẽ cộng lại, đặc biệt là trong môi trường chân không của không gian.
Tuy nhiên, bức xạ dưới dạng ánh sáng mặt trời đủ để đẩy tàu vũ trụ liên hành tinh đi chệch hướng hàng nghìn dặm, do đó, hiệu ứng này phải được tính đến khi gửi tàu thăm dò đến Sao Hỏa hoặc các hành tinh khác.
Nhưng phiên bản năng lượng cao hơn của hiện tượng này có thể sử dụng chùm tia laser trên mặt đất hoặc trên không gian để đẩy cánh buồm ánh sáng trên tàu vũ trụ theo cách có định hướng hơn. Với chùm tia cung cấp nguồn áp suất liên tục lên cánh buồm, hiệu ứng tích lũy của áp suất bức xạ này cộng lại sẽ tạo ra tốc độ nhanh hơn đáng kể và đáng tin cậy hơn so với những gì bạn có thể đạt được từ các tên lửa phức tạp sử dụng lực đẩy hóa học.
"Cánh buồm ánh sáng sẽ di chuyển nhanh hơn bất kỳ tàu vũ trụ nào trước đây, với tiềm năng cuối cùng mở ra khoảng cách giữa các vì sao để chỉ đạo thám hiểm tàu vũ trụ", Harry Atwater của Caltech, Chủ tịch lãnh đạo Otis Booth của Khoa Kỹ thuật và Khoa học ứng dụng, cho biết trong tuyên bố của Caltech.
"Có rất nhiều thách thức liên quan đến việc phát triển một màng có thể được sử dụng làm cánh buồm ánh sáng. Nó cần phải chịu được nhiệt, giữ nguyên hình dạng dưới áp suất và di chuyển ổn định dọc theo trục của chùm tia laser", Atwater cho biết. "Nhưng trước khi chúng ta có thể bắt đầu chế tạo một cánh buồm như vậy, chúng ta cần hiểu cách các vật liệu phản ứng với áp suất bức xạ từ tia laser. Chúng tôi muốn biết liệu chúng ta có thể xác định lực tác dụng lên màng chỉ bằng cách đo chuyển động của nó hay không. Hóa ra là chúng ta có thể."
Các tác giả chính của nghiên cứu, học giả sau tiến sĩ Lior Michaeli và nghiên cứu sinh Ramon Gao, đã chế tạo một thiết bị chuyên dụng gọi là máy đo giao thoa đường dẫn chung. Thiết bị này cho phép đo chính xác chuyển động của màng bằng cách loại bỏ tiếng ồn nền như rung động nhỏ trong phòng thí nghiệm từ thiết bị hoặc thậm chí là tiếng người nói chuyện.
"Chúng tôi không chỉ tránh được các hiệu ứng làm nóng không mong muốn mà còn sử dụng những gì chúng tôi tìm hiểu về hành vi của thiết bị để tạo ra một cách mới để đo lực ánh sáng", Michaeli cho biết. Gao nói thêm rằng nền tảng này có thể đo chuyển động và vòng quay từ bên này sang bên kia, mở đường cho các thiết kế buồm ánh sáng trong tương lai có thể tự điều chỉnh nếu chúng đi chệch khỏi chùm tia laser.
Các câu chuyện liên quan:
— LightSail 2 kỷ niệm sinh nhật lần thứ 3 trong không gian khi nhiệm vụ sắp kết thúc
— Một cánh buồm năng lượng mặt trời trong không gian: Xem những góc nhìn tuyệt đẹp từ LightSail 2
— LightSail 2 chiếu những bức ảnh đầu tiên về nhà từ quỹ đạo!
Cuối cùng, nhóm nghiên cứu hy vọng có thể tích hợp các vật liệu nano và siêu vật liệu tiên tiến để ổn định cánh buồm ánh sáng trong suốt hành trình. "Đây là bước đệm quan trọng hướng tới việc quan sát lực quang học và mô men xoắn được thiết kế để cho phép một cánh buồm nhẹ tăng tốc tự do lướt trên chùm tia laser", Gao cho biết.
Có một số dự án buồm nhẹ đang được tiến hành và NASA đã triển khai một cánh buồm năng lượng mặt trời vào năm ngoái, mặc dù đã gặp phải một số vấn đề về cơ học, điều này làm nổi bật tầm quan trọng của nghiên cứu của nhóm Caltech trong việc tinh chỉnh thêm thiết kế của những cánh buồm này.
Kết quả đã được công bố vào ngày 30 tháng 1 trên tạp chí Photonics thiên nhiên,
Những phát hiện mới nêu chi tiết phương pháp đo lực của ánh sáng laser trên cái được gọi là "màng siêu mỏng". Đây là nghiên cứu có thể giúp thúc đẩy tầm nhìn của Sáng kiến Breakthrough Starshot về du hành vũ trụ bằng laser.
Được khởi động vào năm 2016 bởi cố Stephen Hawking và nhà đầu tư công nghệ Yuri Milner, Breakthrough Starshot có mục tiêu gửi các tàu thăm dò thu nhỏ đến Alpha Centauri, hệ sao gần Trái đất nhất. Kế hoạch dựa vào các tia laser công suất cao trên Trái Đất đẩy các đầu dò chạy bằng buồm mỏng manh trong vũ trụ giống như gió làm với thuyền buồm ở đây trên hành tinh này, cho phép tàu đạt được tốc độ phá kỷ lục mà không cần chất đẩy hóa học.
Lightsails là dạng chung hơn của cánh buồm mặt trời, ở chỗ chúng sử dụng áp suất bức xạ từ nguồn sáng để tạo ra lực đẩy. Áp suất bức xạ là sự truyền động lượng từ bức xạ chiếu vào bề mặt giống như gió tác động lên cánh buồm vải ở đây trên Trái Đất. Các photon không có khối lượng, nhưng chúng vẫn truyền một phần động lượng của mình khi va vào vật thể, đẩy vật thể đi một chút. Một photon đơn lẻ không tạo ra nhiều khác biệt, nhưng hàng nghìn tỷ và hàng nghìn tỷ photon cùng chiếu vào một bề mặt sẽ cộng lại, đặc biệt là trong môi trường chân không của không gian.
Tuy nhiên, bức xạ dưới dạng ánh sáng mặt trời đủ để đẩy tàu vũ trụ liên hành tinh đi chệch hướng hàng nghìn dặm, do đó, hiệu ứng này phải được tính đến khi gửi tàu thăm dò đến Sao Hỏa hoặc các hành tinh khác.
Nhưng phiên bản năng lượng cao hơn của hiện tượng này có thể sử dụng chùm tia laser trên mặt đất hoặc trên không gian để đẩy cánh buồm ánh sáng trên tàu vũ trụ theo cách có định hướng hơn. Với chùm tia cung cấp nguồn áp suất liên tục lên cánh buồm, hiệu ứng tích lũy của áp suất bức xạ này cộng lại sẽ tạo ra tốc độ nhanh hơn đáng kể và đáng tin cậy hơn so với những gì bạn có thể đạt được từ các tên lửa phức tạp sử dụng lực đẩy hóa học.
"Cánh buồm ánh sáng sẽ di chuyển nhanh hơn bất kỳ tàu vũ trụ nào trước đây, với tiềm năng cuối cùng mở ra khoảng cách giữa các vì sao để chỉ đạo thám hiểm tàu vũ trụ", Harry Atwater của Caltech, Chủ tịch lãnh đạo Otis Booth của Khoa Kỹ thuật và Khoa học ứng dụng, cho biết trong tuyên bố của Caltech.
Đo lực ánh sáng trên cánh buồm
Nhóm của Atwater đã phát triển một nền tảng thử nghiệm để đo cách tia laser tác dụng lực lên một "bạt nhún" silicon nitride siêu nhỏ, chỉ dày 50 nanomet. Cánh buồm thu nhỏ, một tấm vuông có 40 micron mỗi cạnh, được buộc ở các góc bằng lò xo silicon nitride và rung khi bị tia laser chiếu vào. Bằng cách phát hiện những chuyển động nhỏ đó, các nhà nghiên cứu có thể tính toán lực của chùm tia laser và công suất của nó."Có rất nhiều thách thức liên quan đến việc phát triển một màng có thể được sử dụng làm cánh buồm ánh sáng. Nó cần phải chịu được nhiệt, giữ nguyên hình dạng dưới áp suất và di chuyển ổn định dọc theo trục của chùm tia laser", Atwater cho biết. "Nhưng trước khi chúng ta có thể bắt đầu chế tạo một cánh buồm như vậy, chúng ta cần hiểu cách các vật liệu phản ứng với áp suất bức xạ từ tia laser. Chúng tôi muốn biết liệu chúng ta có thể xác định lực tác dụng lên màng chỉ bằng cách đo chuyển động của nó hay không. Hóa ra là chúng ta có thể."
Các tác giả chính của nghiên cứu, học giả sau tiến sĩ Lior Michaeli và nghiên cứu sinh Ramon Gao, đã chế tạo một thiết bị chuyên dụng gọi là máy đo giao thoa đường dẫn chung. Thiết bị này cho phép đo chính xác chuyển động của màng bằng cách loại bỏ tiếng ồn nền như rung động nhỏ trong phòng thí nghiệm từ thiết bị hoặc thậm chí là tiếng người nói chuyện.
"Chúng tôi không chỉ tránh được các hiệu ứng làm nóng không mong muốn mà còn sử dụng những gì chúng tôi tìm hiểu về hành vi của thiết bị để tạo ra một cách mới để đo lực ánh sáng", Michaeli cho biết. Gao nói thêm rằng nền tảng này có thể đo chuyển động và vòng quay từ bên này sang bên kia, mở đường cho các thiết kế buồm ánh sáng trong tương lai có thể tự điều chỉnh nếu chúng đi chệch khỏi chùm tia laser.
Các câu chuyện liên quan:
— LightSail 2 kỷ niệm sinh nhật lần thứ 3 trong không gian khi nhiệm vụ sắp kết thúc
— Một cánh buồm năng lượng mặt trời trong không gian: Xem những góc nhìn tuyệt đẹp từ LightSail 2
— LightSail 2 chiếu những bức ảnh đầu tiên về nhà từ quỹ đạo!
Cuối cùng, nhóm nghiên cứu hy vọng có thể tích hợp các vật liệu nano và siêu vật liệu tiên tiến để ổn định cánh buồm ánh sáng trong suốt hành trình. "Đây là bước đệm quan trọng hướng tới việc quan sát lực quang học và mô men xoắn được thiết kế để cho phép một cánh buồm nhẹ tăng tốc tự do lướt trên chùm tia laser", Gao cho biết.
Có một số dự án buồm nhẹ đang được tiến hành và NASA đã triển khai một cánh buồm năng lượng mặt trời vào năm ngoái, mặc dù đã gặp phải một số vấn đề về cơ học, điều này làm nổi bật tầm quan trọng của nghiên cứu của nhóm Caltech trong việc tinh chỉnh thêm thiết kế của những cánh buồm này.
Kết quả đã được công bố vào ngày 30 tháng 1 trên tạp chí Photonics thiên nhiên,
