"Giương buồm" trong không gian: Công nghệ đưa tàu vũ trụ tới các vì sao

Nếu một ngày nào đó nhân loại thực sự du hành tới những ngôi sao xa xôi, chúng ta có thể sẽ thực hiện điều đó bằng cách "giương buồm" trong không gian. Và ý tưởng này hoàn toàn có cơ sở khoa học.

Một nghiên cứu mới của kỹ sư Debdut Sengupta thuộc Đại học Hoàng gia London cùng các cộng sự cho thấy công nghệ buồm Mặt Trời (solar sail) có thể giúp tàu vũ trụ tiến tới rìa Hệ Mặt Trời trong vòng 10-20 năm tới.

Khác với những con tàu cổ đại sử dụng sức gió để di chuyển trên biển, buồm Mặt Trời khai thác áp suất cực nhỏ nhưng liên tục của các photon ánh sáng. Những cánh buồm siêu mỏng với diện tích rất lớn sẽ hứng dòng photon phát ra từ Mặt Trời để tạo lực đẩy cho tàu vũ trụ mà không cần mang theo nhiên liệu.

Những dự án tham vọng đưa tàu vũ trụ ra rìa Hệ Mặt Trời

Trong nhiều thập kỷ qua, ý tưởng này chủ yếu tồn tại trên giấy hoặc trong các tác phẩm viễn tưởng. Tuy nhiên, một số sứ mệnh thử nghiệm đã chứng minh nguyên lý hoạt động của công nghệ này là khả thi.

Tiêu biểu là tàu IKAROS của Nhật Bản, từng bay qua Sao Kim vào năm 2010, và LightSail 2 của Hiệp hội Hành tinh (The Planetary Society), được phóng năm 2019.

Dù vậy, công nghệ buồm Mặt Trời vẫn đang trong giai đoạn phát triển.

Chuyến thử nghiệm gần đây của NASA đối với một thiết kế buồm tiên tiến đã gặp trục trặc trong quá trình triển khai ngoài không gian, cho thấy vẫn còn nhiều thách thức kỹ thuật cần vượt qua trước khi những cánh buồm khổng lồ có thể thực hiện các sứ mệnh đường dài.

Ý tưởng thiết kế của Solar Cruiser của NASA (Ảnh: NASA).

Để đánh giá mức độ sẵn sàng của công nghệ này, nhóm nghiên cứu do kỹ sư Debdut Sengupta dẫn đầu đã phân tích nhiều dự án buồm Mặt Trời.

Trong số đó, Breakthrough Starshot là dự án tham vọng nhất từng được đề xuất. Thay vì sử dụng ánh sáng Mặt Trời, dự án dự kiến dùng chùm laser công suất cực lớn để đẩy các tàu nano siêu nhỏ tới hệ sao Proxima Centauri - ngôi sao gần Trái Đất nhất ngoài Hệ Mặt Trời.

Tuy nhiên, dự án hiện đang tạm dừng do nguồn tài trợ bị đóng băng.

Các dự án còn lại hướng tới việc đưa tàu buồm Mặt Trời tới heliopause - vùng ranh giới giữa Hệ Mặt Trời và không gian liên sao, cách Mặt Trời khoảng 14,5 tỷ km.

Để đạt tốc độ cần thiết, tàu sẽ tiếp cận rất gần ngôi sao trung tâm nhằm tận dụng áp lực bức xạ mạnh nhất trước khi lao vút ra ngoài Hệ Mặt Trời.

Trong khi đó, Solar Cruiser của NASA được thiết kế để hoạt động gần điểm Lagrange L1 giữa Trái Đất và Mặt Trời. Cánh buồm rộng khoảng 40m sẽ giúp tàu duy trì vị trí ổn định mà không cần tiêu tốn nhiên liệu cho các động cơ hiệu chỉnh quỹ đạo.

Theo các nhà nghiên cứu, những sứ mệnh nghiên cứu Mặt Trời có thể là bước đi đầu tiên của công nghệ buồm Mặt Trời trong tương lai gần.

Nhờ tận dụng trực tiếp áp suất ánh sáng, các tàu vũ trụ loại này có thể duy trì những quỹ đạo đặc biệt hoặc thay đổi hướng bay mà không cần mang theo lượng lớn nhiên liệu đẩy như tàu vũ trụ truyền thống.

Bruce Betts, Giám đốc khoa học của Hiệp hội Hành tinh, cho rằng một ứng dụng đầy hứa hẹn là xây dựng các trạm cảnh báo bão Mặt Trời trong không gian.

Những tàu mang buồm Mặt Trời có thể duy trì vị trí giữa Trái Đất và Mặt Trời trong thời gian dài, giúp phát hiện sớm các cơn bão từ có khả năng ảnh hưởng đến vệ tinh, lưới điện và hệ thống liên lạc trên Trái Đất.

Xa hơn nữa, một số nhà khoa học đang nghiên cứu khái niệm "buồm Mặt Trời cực hạn". Theo kỹ sư hàng không vũ trụ Artur Davoyan thuộc Đại học California, Los Angeles, tàu vũ trụ có thể bay cách bề mặt Mặt Trời chỉ vài triệu km để nhận được cú tăng tốc khổng lồ từ áp lực photon.

Sau đó, con tàu sẽ được "bắn" về phía ngoài Hệ Mặt Trời với tốc độ vượt xa bất kỳ tàu thăm dò nào hiện nay.

Các mô phỏng cho thấy một tàu buồm Mặt Trời thực hiện thành công cú lao sát Mặt Trời có thể đạt vận tốc khoảng 50 đơn vị thiên văn (AU) mỗi năm, nhanh gấp nhiều lần tốc độ hiện tại của tàu Voyager 1.

Với vận tốc này, tàu có thể vượt qua quỹ đạo Sao Hải Vương trong chưa đầy một năm và đi xa hơn Voyager 1 sau khoảng ba năm hoạt động.

Tuy nhiên, để hiện thực hóa ý tưởng đó, các kỹ sư phải giải quyết hàng loạt bài toán kỹ thuật phức tạp.

Tương lai nào cho tàu vũ trụ chạy bằng ánh sáng?

Thách thức lớn nhất là chế tạo vật liệu đủ nhẹ nhưng vẫn có khả năng chịu được nhiệt độ lên tới khoảng 1.000 độ C khi tàu bay sát Mặt Trời.

Các vật liệu như nitride silic và nitride titan hiện đang được nghiên cứu nhằm đáp ứng yêu cầu này.

Ngoài ra, bản thân cánh buồm cũng phải có kích thước rất lớn để tiếp tục thu nhận đủ photon khi tàu di chuyển xa khỏi Mặt Trời.

Tàu vũ trụ được vận hành hoàn toàn bằng năng lượng mặt trời LightSail 2 trong một sứ mệnh năm 2019 (Ảnh: The Planetary Society).

Điều đó đòi hỏi các kỹ sư phải phát triển những kết cấu siêu nhẹ, có thể gấp gọn trong tên lửa phóng nhưng vẫn đủ cứng để triển khai và hoạt động ổn định trong môi trường không gian.

Một số chuyên gia vẫn tỏ ra thận trọng, đặc biệt với các sứ mệnh liên sao hoặc liên hành tinh ở khoảng cách rất xa.

Họ cho rằng việc cung cấp năng lượng, duy trì liên lạc và mang theo các thiết bị khoa học cần thiết sẽ là thách thức không nhỏ đối với những tàu có khối lượng rất thấp.

Dẫu vậy, phần lớn các nhà nghiên cứu đều đồng tình rằng buồm Mặt Trời đang dần chuyển từ một ý tưởng mang tính lý thuyết thành công nghệ có triển vọng ứng dụng thực tế.

Theo Sengupta, nếu chứng minh được hiệu quả trong các nhiệm vụ này, buồm Mặt Trời có thể trở thành một phương thức đẩy tàu vũ trụ quan trọng trong những thập kỷ tới, mở đường cho các chuyến hành trình nhanh hơn, xa hơn và ít phụ thuộc vào nhiên liệu hơn bao giờ hết.

Theo Báo Dân Trí