Vào những năm 1970, tàu thăm dò Voyager 1 và 2 là vật thể đầu tiên và thứ hai thoát ra khỏi Hệ Mặt trời. Thực tế là chúng vẫn đang hoạt động ngoài mong đợi, mặc dù vậy các nhà nghiên cứu vẫn muốn tìm cách gửi tàu hiệu quả hơn. Light Sail là một trong những đề xuất như vậy.
Đúng như tên gọi, cánh buồm nhẹ sẽ hứng các hạt photon và nhận lực để đẩy con tàu lên thay vì đón gió như những cánh buồm thông thường. Trong hai nghiên cứu mới, các nhà khoa học đã chỉ ra những thiết kế buồm nhẹ hiệu quả nhất cho chuyến du hành giữa các vì sao. Báo cáo cho thấy nhóm đã tìm ra thiết kế và vật liệu hiệu quả nhất để làm nên công nghệ viễn tưởng.
Minh họa cánh buồm tươi sáng.
Nỗ lực nghiên cứu này là một phần của Sáng kiến Breakthrough Starshot, một dự án nhằm phát triển tàu thăm dò cánh buồm nhẹ tới Alpha Centauri, hệ sao gần Mặt trời nhất. Breakthrough Starshot dự định đưa các vi mạch bay với tốc độ 20% tốc độ ánh sáng và đến được Alpha Centauri, một hệ sao cách chúng ta 4 năm ánh sáng, trong vòng 20 năm.
Nó không hẳn là khoa học viễn tưởng, cũng không phải là một phát minh mới. Nguyên lý hoạt động của cánh buồm nhẹ tương tự như cánh buồm gió, chỉ khác là thay vì gió, cánh buồm nhẹ sẽ nhận lực đẩy từ các photon. Hàng tỷ hạt ánh sáng cực nhỏ va vào cánh buồm sẽ đẩy tàu thăm dò xuyên không gian mà không cần nhiên liệu.
Vào năm 2019, tổ chức phi lợi nhuận Planetary Society đã phóng lên quỹ đạo Trái đất một vệ tinh buồm sáng có tên là LightSail 2. Con tàu hình khối này có kích thước bằng một nửa chiếc bánh mì siêu thị, nhưng cánh buồm Bright có chiều rộng lên tới 32 mét vuông. Cánh buồm được ghép từ bốn mảnh hình tam giác làm bằng Mylar phủ nhôm, và LightSail 2 được đưa lên không trung bằng tên lửa Falcon Heavy của SpaceX. Trong quỹ đạo, nó sử dụng các photon từ Mặt trời để di chuyển.
Những cánh buồm tươi sáng của Hiệp hội Hành tinh.
Tuy nhiên, con tàu của Project Starshot khác với LightSail 2. Trong khi con tàu của Hiệp hội Hành tinh sử dụng ánh sáng mặt trời, con tàu của Starshot sẽ cần ánh sáng mạnh hơn để có thể đạt được khoảng cách tương tự như Alpha Centauri. Để thực hiện dự án, các nhà nghiên cứu dự định sử dụng một tia laser cực mạnh để đẩy chiếc tàu đi xa.
Trong một loạt bài báo khoa học mới, các nhà nghiên cứu đã tìm ra hình dạng và kiểu mẫu phù hợp nhất để mang lại hiệu suất buồm nhẹ tối ưu. Trong nghiên cứu đầu tiên do chuyên gia Igor Bargatin, từ khoa kỹ thuật ứng dụng của Đại học Pennsylvania, dẫn đầu, chúng ta tìm hiểu về các vật liệu tốt nhất trong chế tạo buồm nhẹ, ngoài hình dáng đẹp nhất.
Nghiên cứu chỉ ra rằng cánh buồm nhẹ của Starshot cần phải được làm từ sự kết hợp của nhôm oxit siêu mỏng và kim loại đisulfua molypden có màu đen ánh bạc. Như nhóm các nhà khoa học đã chỉ ra, vật liệu cần được căng phồng lên như một chiếc dù để tránh bị rách, thay vì căng ra như một tấm bạt khổng lồ.
Điểm đến của dự án Starshot.
Đặc biệt, ở 20% tốc độ ánh sáng, sức bền của tàu hành trình và cánh buồm sẽ bị đẩy hết mức. Việc cánh buồm có thể bị võng sẽ làm tăng tuổi thọ của thiết bị lên rất nhiều.
Tác giả nghiên cứu Matthew Campbell cho biết: “Các ánh sáng từ tia laser sẽ lấp đầy cánh buồm giống như cách không khí lấp đầy một quả bóng bay. “Tất cả chúng ta đều biết rằng các thùng chứa cần phải có hình cầu hoặc hình trụ để tránh bị nứt.”
Báo cáo thứ hai nói về cách thiết kế sao cho nhiệt lượng từ tia laser công suất cao được trải đều trên bề mặt của cánh buồm.
“Nếu cánh buồm chỉ hút một phần rất nhỏ [năng lượng] Tác giả chính của nghiên cứu thứ hai, Aaswath Raman thuộc bộ phận khoa học vật liệu của Đại học California cho biết, nhiệt độ của nó sẽ cao hơn đáng kể.
Trước đây, các nhà nghiên cứu đã đưa ra ý tưởng về một cánh buồm nhẹ chứa các lỗ nhỏ li ti để tản nhiệt. Tuy nhiên, nghiên cứu mới đưa khám phá này tiến thêm một bước nữa, và họ đề xuất bố trí các tấm tản nhiệt theo dạng lưới đặc biệt để tối ưu hóa việc làm mát cánh buồm.
“Một vài năm trước, giả thuyết [cho buồm sáng] Nó sẽ được gọi là một sự tưởng tượng, ”đồng tác giả Deep Jariwala nói. “Bây giờ chúng tôi không chỉ có thiết kế cánh buồm, mà nó còn dựa trên các 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 tia laser cường độ cao ”.
Các nhóm nghiên cứu hiện đang tiến hành chế tạo thế hệ buồm nhẹ mới đầu tiên và sẽ công bố kết quả ngay sau khi thử nghiệm thành công.
Cả hai nghiên cứu đều được công bố trên tạp chí Nano Letters.
Tham khảo Space
Tổng hợp: Công Nghệ Chính Nhân
