Khoa học đồng thời mở khóa hai yếu tố chủ chốt trong thiết kế buồm sáng, công nghệ du hành vũ trụ bằng photon

Lên không hồi thập niên 70, hai con tàu thăm dò Voyager 1 và 2 là hai vật thể đầu tiên và thứ hai ra được khỏi Hệ Mặt Trời. Việc chúng vẫn đang hoạt động vượt ngoài mong đợi, dù vậy các nhà nghiên cứu vẫn mong muốn tìm ra những cách cử tàu đi hiệu quả hơn. Buồm ánh sáng là một trong những đề xuất như thế.

Đúng như cái tên của mình, buồm sáng sẽ đón hạt photon và nhận lực đẩy tàu đi thay vì đón gió như những cánh buồm thông thường. Trong hai nghiên cứu mới, các nhà khoa học chỉ ra những thiết kế buồm sáng hiệu quả nhất cho một chuyến du hành liên sao. Báo cáo cho thấy nhóm đã tìm ra thiết kế cũng như vật liệu hiệu quả nhất để làm công nghệ viễn tưởng.

Nỗ lực nghiên cứu là một phần của Breakthrough Starshot Initiative, một dự án nhắm tới phát triển tàu thăm dò bay bằng buồm sáng tới Alpha Centauri, hệ sao gần Mặt Trời nhất. Breakthrough Starshot dự định đưa những con vi chip bay với tốc độ 20% vận tốc ánh sáng và tới Alpha Centauri, hệ sao cách ta 4 năm ánh sáng, trong vòng 20 năm.

Buồm sáng là gì?

Nó không hẳn là khoa học viễn tưởng, cũng không phải là phát kiến mới xuất hiện. Nguyên lý hoạt động của buồm sáng giống với buồm đón gió, chỉ khác ở chỗ thay vì gió, buồm sáng sẽ nhận lực đẩy từ các hạt photon. Hàng tỷ hạt ánh sáng hiển vi đập vào buồm sẽ đẩy tàu thăm dò tiến trong không gian mà không cần tới nhiên liệu.

Năm 2019, tổ chức phi lợi nhuận Planetary Society phóng vào quỹ đạo Trái Đất một vệ tinh bay bằng buồm sáng có tên LightSail 2. Tàu dạng cubesat này chỉ có kích cỡ tương tự một nửa bánh mì baguette bán tại siêu thị, nhưng sở hữu buồm sáng rộng tới 32 mét vuông. Tấm buồm được ghép từ bốn mảnh hình tam giác làm từ vật liệu Mylar phủ nhôm, và con tàu LightSail 2 bay lên không nhờ tên lửa Falcon Heavy của SpaceX. Trong quỹ đạo, nó sử dụng photon từ Mặt Trời để di chuyển.

Tuy nhiên, tàu của dự án Starshot khác với LightSail 2. Trong khi tàu của Planetary Society tận dụng ánh sáng Mặt Trời, tàu của Starshot sẽ cần ánh sáng mạnh hơn để có thể tới được khoảng cách xa như Alpha Centauri. Để thực hiện dự án, các nhà nghiên cứu dự định sử dụng tia laser cực mạnh để đẩy tàu bay xa.

Một cánh buồm hiệu quả nhất

Trong loạt báo cáo khoa học mới, các nhà nghiên cứu tìm ra hình dáng và hình mẫu hợp lý nhất giúp cho buồm sáng tối ưu hiệu quả. Trong nghiên cứu đầu tiên dẫn đầu bởi chuyên gia Igor Bargatin, công tác tại bộ phận kỹ nghệ ứng dụng tại Đại học Pennsylvania, chúng ta được biết về vật liệu tốt nhất trong chế tạo buồm sáng, bên cạnh hình dáng hợp lý nhất.

Nghiên cứu chỉ ra rằng buồm sáng của Starshot cần làm từ tổ hợp của vật liệu nhôm ô xít siêu mỏng và kim loại molybdenum disulfide có ánh đen bạc. Theo nhóm các nhà khoa học chỉ ra, vật liệu cần phồng được lên như dù để tránh rách, thay vì căng ra như một tấm bạt khổng lồ.

Đặc biệt, với tốc độ 20% vận tốc ánh sáng, sức chịu đựng của tàu du hành và tấm buồm sẽ bị đẩy tới giới hạn. Việc buồm có thể chùng xuống sẽ giúp tăng tuổi thọ thiết bị lên chút đỉnh. 

“Photon từ tia laser sẽ làm đầy tấm buồm không khác gì cách hơi thổi đầy một quả bóng”, chủ biên nghiên cứu Matthew Campbell nói. “Bà chúng ta đều biết những khoang chứa cần có hình cầu hoặc hình trụ để tránh tình trạng nứt vỡ”.

Một mẫu hình lý tưởng cho cánh buồm

Bản báo cáo thứ hai nói về cách thiết kế sao cho nhiệt từ đèn laser công suất lớn tỏa đều trên bề mặt buồm. 

“Nếu buồm hấp thụ chỉ một phần rất nhỏ [năng lượng] từ ánh sáng laser, nhiệt độ của nó sẽ lên cao trông thấy”, tác giả chính của nghiên cứu thứ hai, ông Aaswath Raman tới từ bộ phận khoa học vật liệu của Đại học California cho hay. “Để đảm bảo buồm không bị tiêu biến, chúng ta cần tối ưu khả năng tản nhiệt”.

Trước đây, các nhà nghiên cứu nêu ý tưởng về một tấm buồm sáng chứa những lỗ tí hon để tản nhiệt. Tuy nhiên, nghiên cứu mới đẩy phát kiến cao thêm một bậc, họ đề xuất sắp xếp các lỗ tản nhiệt theo một mẫu hình lưới đặc biệt để tối ưu hóa khả năng làm mát của buồm.

“Vài năm trước, đặt giả thuyết [cho buồm sáng] thôi cũng bị gọi là viển vông”, đồng tác giả Deep Jariwala nhận định. “Giờ đây, chúng ta không chỉ có thiết kế buồm, mà nó đã dựa trên cả vật liệu có sẵn trong phòng thí nghiệm. Mục tiêu trước mắt của chúng tôi là tạo ra những cấu trúc nhỏ để thử nghiệm với laser cường độ lớn”.

Các nhóm nghiên cứu đã đang bắt tay vào chế tạo những tấm buồm sáng thế hệ mới đầu tiên, và sẽ công bố kết quả ngay khi thử nghiệm thành công.

Hai nghiên cứu đều đã được đăng tải trên tạp chí Nano Letters.

GenK