'Bẻ cong' ánh sáng để du hành trong vũ trụ, cánh buồm mặt trời này của NASA có gì đặc biệt?

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.

Bên cạnh đó, khi bật ra khỏi cánh buồm, các photon tạo thêm một lực đẩy nhỏ khác. Cả hai lực đẩy tuy rất nhẹ, nhưng trong môi trường không gian không trọng lực, mỗi lần đẩy sẽ đủ để gia tốc cho cánh buồm.

Khi cơ chế này hoạt động, tàu vũ trụ sẽ có thể di chuyển trong không gian mà không cần sử dụng tới nhiên liệu.

Thiết kế cánh buồm Mặt trời khúc xạ hiện nay khá lớn, mỏng và thường bị hạn chế về phương hướng di chuyển. Tuy nhiên, một cánh buồm Mặt trời nhiễu xạ với các ô vuông nhỏ trên tấm phim mỏng có thể khiến nó linh hoạt và dễ lái hơn.

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 thu được nhiều ánh sáng mặt trời hơn, có nhiều động lực hơn và tăng tốc nhanh hơn đối với cùng một khối lượng.

Đối với một kích thước cánh buồm cho trước, một tàu vũ trụ có khối lượng thấp hơn sẽ có gia tốc cao hơn. Gia tốc cũng phụ thuộc vào khoảng cách của tàu vũ trụ với nguồn sáng và cường độ của nguồn sáng.

Khi một tàu vũ trụ sử dụng cánh buồm mặt trời cách càng xa Mặt trời, lượng ánh sáng dành cho nó giảm đi, có nghĩa là tốc độ cũng sẽ chậm hơn.

Để đưa ra một ví dụ cụ thể về tốc độ buồm mặt trời, các cánh buồm 32 mét vuông của LightSail 2 tăng tốc chỉ với 0,058 mm /s². Trong một tháng có ánh sáng mặt trời liên tục, tốc độ của tàu vũ trụ sẽ tăng tổng cộng 549 km/ giờ, gần bằng mức tốc độ tối đa của máy bay phản lực.

Cuộc cách mạng Cánh buồm mặt trời

Điều thú vị nhất về cánh buồm mặt trời là chúng có thể mở ra những con đường mới cho khoa học không gian và thám hiểm. Tàu vũ trụ chạy bằng buồm năng lượng mặt trời có thể tiếp cận các hành tinh và hệ sao xa xôi nhanh hơn nhiều so với tàu vũ trụ có động cơ tên lửa.

Trong tương lai gần, buồm mặt trời cũng có thể được sử dụng hiệu quả cho các loại nhiệm vụ khác bao gồm giám sát mặt trời, giám sát liên tục các vùng cực của Trái đất hoặc một vật thể vũ trụ nào đó.

Cánh buồm mặt trời cũng có thể cung cấp lực đẩy cho CubeSats, các vệ tinh nhỏ, rẻ tiền đang ngày càng được các quốc gia du hành vũ trụ mới nổi, các công ty nhỏ và thậm chí các nhóm trường học sử dụng. Lợi ích này giúp mở rộng cơ hội khám phá vũ trụ mà không cần phụ thuộc vào nhiên liệu tên lửa.

Ý tưởng về cánh buồm Mặt trời nhiễu xạ được lựa chọn lần đầu tiên cho giai đoạn 1 và 2 của NIAC vào năm 2019. Trong suốt hai giai đoạn đó và thử nghiệm, một nhóm nghiên cứu đã kiểm tra vài vật liệu chế tạo cánh buồm, đồng thời phát triển cách thức định vị và điều khiển cho nhiệm vụ quay quanh cực của Mặt trời.

Cả 2 giai đoạn đều có thí 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 từng phóng những nhiệm vụ hoạt động nhờ cánh buồm Mặt trời nhằm hỗ trợ vệ tinh liên lạc vào năm 1992 và 2003. Cơ quan khám phá vũ trụ Nhật Bản (JAXA) phóng thành công tàu vũ trụ mới IKAROS trang bị cánh buồm Mặt trời vào năm 2010 để nghiên cứu sao Kim và Mặt trời. Từ sau đó, NASA và tổ chức nghiên cứu phi lợi nhuận Planetary Society đều từng phóng thành công tàu trang bị cánh buồm Mặt trời lên quỹ đạo thấp của Trái Đất.