Buzz
Các nhà nghiên cứu đang phát triển thiết kế cánh buồm Mặt trời mới giúp tàu vũ trụ di chuyển trong không gian mà không cần nhiên liệu.
Cơ quan vũ trụ Mỹ NASA đã và đang thực hiện một chương trình nghiên cứu mang tên Innovative Advanced Concepts (NIAC). Đây là một dự án nghiên cứu và phát triển loại cánh buồm nhiễu xạ trong 2 năm với kinh phí 2 triệu USD.
Một khi thành công, dự án sẽ thúc đẩy việc ứng dụng cánh buồm Mặt trời công nghệ cao vào các loại tàu vũ trụ không gian trong tương lai.
Cách thức mới để du hành không gian
Tương tự cánh buồm thông thường trên thuyền biển, sử dụng sức gió để tạo ra chuyển động, cánh buồm Mặt trời hoạt động bằng cách dùng áp suất tạo bởi ánh sáng Mặt trời để giúp tàu vũ trụ di chuyển trong không gian.
Ánh sáng được tạo thành từ các hạt gọi là photon. Các photon không có bất kỳ khối lượng nào, nhưng chúng có đượng lượng khi di chuyển trong không gian. Khi ánh sáng chiếu vào cánh buồm mặt trời có bề mặt sáng, giống như gương, động lượng của chúng được truyền sang cánh buồm, tạo cho nó một lực đẩy nhỏ.
Cánh buồm Mặt trời trong không gian.
Ngoài ra, khi rời khỏi cánh buồm, các photon tạo ra một lực đẩy nhỏ khác. Cả hai lực đẩy này mặc dù nhẹ nhàng, nhưng trong môi trường không trọng lực của không gian, mỗi lực đẩy đều đủ để gia tốc cho cánh buồm.
Khi cơ chế này hoạt động, tàu vũ trụ có thể di chuyển trong không gian mà không cần sử dụng nhiên liệu.
Thiết kế cánh buồm Mặt trời khúc xạ hiện nay khá lớn, mỏng và thường hạn chế về khả năng di chuyển. Tuy nhiên, một cánh buồm Mặt trời nhiễu xạ với các ô vuông nhỏ trên bề mặt có thể giúp nó linh hoạt và dễ dàng hơn trong việc điều khiển.
Một cánh buồm Mặt trời có thể đi nhanh đến mức nào?
Tốc độ của cánh buồm Mặt trời phụ thuộc vào kích thước và khối lượng của nó. Một cánh buồm lớn hơn sẽ thu được nhiều ánh sáng Mặt trời hơn, có nhiều động lực hơn và tăng tốc nhanh hơn so với cánh buồm nhỏ hơn cùng khối lượng.
Đối với cùng một kích thước cánh buồm, một tàu vũ trụ có khối lượng nhẹ hơn sẽ có gia tốc cao hơn. Gia tốc cũng phụ thuộc vào khoảng cách giữa tàu vũ trụ và nguồn sáng cũng như cường độ của nguồn sáng.
Khoảng cách giữa cánh buồm và Mặt Trời cũng ảnh hưởng đến tốc độ di chuyển của tàu vũ trụ.
Khi một tàu vũ trụ sử dụng cánh buồm mặt trời cách xa Mặt Trời hơn, lượng ánh sáng chiếu vào cánh buồm giảm, dẫn đến tốc độ chậm hơn.
Để minh họa về tốc độ cánh buồm mặt trời, cánh buồm 32 mét vuông của LightSail 2 tăng tốc độ chỉ 0,058 mm/s². Trong một tháng với ánh sáng mặt trời liên tục, tốc độ của tàu vũ trụ sẽ tăng tổng cộng 549 km/giờ, gần bằng tốc độ tối đa của máy bay phản lực.
Biến đổi lớn với Cánh buồm mặt trời
Điều thú vị về cánh buồm mặt trời là chúng có thể mở ra cơ hội mới cho nghiên cứu không gian và thám hiểm. Tàu vũ trụ chạy bằng cánh buồm năng lượng mặt trời có thể tiếp cận hành tinh và hệ sao xa hơn nhanh hơn nhiều so với tàu vũ trụ sử dụng động cơ tên lửa.
Một cánh buồm Mặt Trời đang được sản xuất.
Trong tương lai gần, cánh buồm mặt trời cũng có thể được sử dụng hiệu quả cho các nhiệm vụ khác như giám sát Mặt Trời, liên tục theo dõi các vùng cực của Trái Đất hoặc một vật thể nào đó trong vũ trụ.
Cánh buồm Mặt Trời cũng có thể cung cấp lực đẩy cho CubeSats, các vệ tinh nhỏ, giá rẻ đang được các quốc gia mới vào không gian, các công ty nhỏ và thậm chí các nhóm học sinh sử dụng. Lợi ích này giúp mở rộng cơ hội khám phá vũ trụ mà không cần phải sử dụng nhiên liệu tên lửa.
Ý tưởng về cánh buồm Mặt Trời nhiễu xạ được chọn lựa lần đầu tiên cho giai đoạn 1 và 2 của NIAC vào năm 2019. Trong suốt hai giai đoạn đó và quá trình thử nghiệm, một nhóm nghiên cứu đã thử nghiệm vài vật liệu để chế tạo cánh buồm, cũng như phát triển cách thức định vị và điều khiển cho nhiệm vụ quay quanh cực của Mặt Trời.
Cánh buồm Mặt Trời giúp các tổ chức nghiên cứu nhỏ tiếp cận dễ dàng hơn so với việc sử dụng nhiên liệu tên lửa.
Cả hai giai đoạn đều trải qua thử nghiệm thời tiết để kiểm tra khả năng tồn tại khi tiếp xúc với tia cực tím. Trong giai đoạn 3, các nhà nghiên cứu sẽ tối ưu hóa vật liệu chế tạo và tiến hành thử nghiệm trên mặt đất để chuẩn bị cho nhiệm vụ bay tới Mặt Trời.
Chính phủ Ấn Độ đã phóng những nhiệm vụ hoạt động nhờ cánh buồm Mặt Trời để hỗ trợ vệ tinh liên lạc vào năm 1992 và 2003. Cơ quan khám phá vũ trụ của Nhật Bản (JAXA) đã phóng thành công tàu vũ trụ IKAROS trang bị cánh buồm Mặt Trời vào năm 2010 để nghiên cứu sao Kim và Mặt Trời. Từ đó, NASA và tổ chức nghiên cứu phi lợi nhuận Planetary Society cũng đã phóng thành công tàu trang bị cánh buồm Mặt Trời lên quỹ đạo thấp của Trái Đất.
