Buzz
Các nhà khoa học Mỹ vừa trình làng một thiết kế cánh buồm ánh sáng mới, được làm từ tinh thể quang tử. Cánh buồm này có khả năng phản xạ mạnh tia laser để tạo lực đẩy cho tàu vũ trụ, đồng thời cho phép ánh sáng Mặt Trời xuyên qua gần như hoàn toàn, mở ra một hướng đi mới trong việc du hành liên sao.
Trong suốt nhiều thập kỷ qua, giấc mơ du hành giữa các vì sao luôn bị kìm hãm bởi một yếu tố rất thực tế: vấn đề nhiên liệu. Các tàu vũ trụ hiện đại vẫn chủ yếu sử dụng động cơ tên lửa hóa học, loại động cơ yêu cầu mang theo một lượng nhiên liệu khổng lồ. Điều này không chỉ làm tăng chi phí phóng mà còn hạn chế đáng kể phạm vi bay của tàu.
Vì thế, các nhà khoa học đã tìm kiếm các phương thức đẩy tàu vũ trụ hoàn toàn khác biệt. Một trong những giải pháp được chú ý nhất chính là “buồm ánh sáng”, một công nghệ tận dụng áp suất bức xạ của photon để tạo ra lực đẩy.
Nhóm nghiên cứu tại Đại học Tuskegee, Alabama, Mỹ vừa giới thiệu một thiết kế cánh buồm hoàn toàn mới được làm từ tinh thể quang tử. Công nghệ này dự đoán sẽ giải quyết những nhược điểm lớn của các hệ thống buồm ánh sáng truyền thống.
Cách thức hoạt động của buồm ánh sáng theo nguyên lý cơ bản tương tự như buồm của tàu thuyền trên biển. Tuy nhiên, thay vì gió, nguồn lực đẩy là các photon ánh sáng. Khi ánh sáng chiếu vào bề mặt phản xạ, các photon bật lại và tạo ra một lực rất nhỏ. Nếu buồm đủ lớn và nguồn sáng đủ mạnh, lực này sẽ giúp tàu vũ trụ tăng tốc.
Ý tưởng này đã được nhiều dự án lớn theo đuổi, trong đó nổi bật là chương trình Breakthrough Starshot, với mục tiêu sử dụng laser cực mạnh để đẩy các tàu vũ trụ siêu nhỏ đạt tốc độ gần với ánh sáng.
Hiện tại, các cánh buồm chủ yếu được chế tạo từ màng polymer mỏng phủ kim loại như nhôm. Mặc dù có khả năng phản xạ tốt, vật liệu này vẫn hấp thụ một phần ánh sáng chiếu vào, và phần năng lượng này sẽ chuyển hóa thành nhiệt.
Khi bị chiếu xạ bằng laser công suất lớn, nhiệt lượng tích tụ có thể khiến cánh buồm bị biến dạng hoặc thậm chí nóng chảy theo thời gian. Việc thêm lớp phản xạ kim loại có thể giảm hấp thụ nhiệt, nhưng điều này cũng làm tăng khối lượng của buồm, điều không mong muốn đối với một hệ thống cần sự nhẹ nhàng tối đa.
Để tìm ra giải pháp thay thế, nhóm nghiên cứu tại Đại học Tuskegee đã nghiên cứu vật liệu tinh thể quang tử, một loại nano có khả năng điều khiển ánh sáng đi qua bên trong.
Tinh thể quang tử mà nhóm nghiên cứu phát triển có cấu trúc ba thành phần chính. Đầu tiên là các cột germanium có chiết suất cao. Thứ hai là các lỗ không khí có chiết suất thấp. Tất cả được xếp trong một ma trận polymer làm vật liệu nền.
Cấu trúc này được thiết kế ở kích thước cực nhỏ, chỉ từ 100 đến 400 nanomet, tương đương với khoảng một phần nghìn độ dày của sợi tóc người. Chính cấu trúc nano đặc biệt này tạo ra hiện tượng gọi là “khe năng lượng photon”.
Hiện tượng này có thể hiểu giống như cách chất bán dẫn điều khiển chuyển động của electron. Đối với tinh thể quang tử, vật liệu có khả năng chặn hoặc phản xạ các bước sóng ánh sáng nhất định, đồng thời cho phép những bước sóng khác xuyên qua.
Nhờ vào đặc tính này, cánh buồm có thể được thiết kế để phản xạ mạnh mẽ tia laser dùng cho hệ thống đẩy, đồng thời gần như trong suốt đối với ánh sáng Mặt Trời, giúp giảm đáng kể nhiệt lượng tích tụ.
Trong các thử nghiệm ban đầu, nhóm nghiên cứu cho biết một tấm vật liệu diện tích 1 mét vuông có thể đạt độ phản xạ khoảng 90% khi chiếu bằng laser công suất 100 kilowatt ở bước sóng 1,2 micromet. Các nhà khoa học cho rằng hiệu suất này đã đủ để sử dụng trong các hệ thống đẩy thử nghiệm.
Với điều kiện như vậy, lực đẩy tạo ra có thể giúp tàu vũ trụ đạt tốc độ vài trăm mét mỗi giây chỉ sau khoảng một giờ hoạt động. Mặc dù con số này vẫn còn xa so với tốc độ cần thiết cho du hành liên sao, nó vẫn là một bước tiến đáng kể.
Phó giáo sư Dimitar Dimitrov từ Đại học Tuskegee cho biết điểm mấu chốt trong thiết kế là khả năng điều chỉnh chính xác khe năng lượng photon sao cho trùng với tần số của laser đẩy. Nhờ vậy, cánh buồm có thể phản xạ mạnh tại bước sóng mong muốn, đồng thời gần như trong suốt với bức xạ Mặt Trời.
Ông cho rằng đóng góp quan trọng nhất của nghiên cứu là chứng minh khả năng chế tạo cấu trúc tinh thể quang tử đa vật liệu với đặc tính nano có thể điều khiển được.
Kết quả nghiên cứu cũng chỉ ra rằng những cấu trúc này có thể kết hợp nhiều ưu điểm như khối lượng nhẹ, khả năng chọn lọc bước sóng tốt và tiềm năng mở rộng sản xuất.
Nghiên cứu đã được công bố trên Tạp chí Nanophotonics và được coi là một bước tiến mới trong nỗ lực phát triển các hệ thống đẩy không sử dụng nhiên liệu cho tàu vũ trụ.
Mặc dù con đường tới du hành liên sao còn rất dài, các nhà khoa học tin rằng công nghệ buồm ánh sáng tinh thể quang tử có thể trở thành nền tảng cho thế hệ tàu vũ trụ tương lai. Nếu thành công, công nghệ này sẽ mở ra cơ hội khám phá không gian sâu mà không cần mang theo những khối nhiên liệu nặng nề như hiện nay.
