Giăng buồm trong hệ mặt trời

Được đẩy đi tới bằng áp suất của ánh sáng mặt trời, những cánh buồm lớn khối lượng nhỏ chế tạo bằng plastic tráng nhôm cực mỏng một ngày nào đó có thể sẽ khảo sát đến biên giới của hệ mặt trời của chúng ta và những vì sao khác nữa.

Một trong các camera có thể triển khai trên phi thuyền IKAROS của Cơ quan Thám hiểm Vũ trụ Nhật Bản (JAXA) cho thấy cánh buồm đẩy bằng năng lượng mặt trời là hoàn toàn khả thi. Ảnh: Hội Hành tinh học/JAXA

Bằng cách lắp đặt những mảnh vải bạt lớn trên tàu thuyền, các nhà thám hiểm buổi đầu đã khai thác năng lượng gió để đi lại trên khắp cõi đại dương. Giờ các nhà thám hiểm vũ trụ hiện đại muốn sử dụng các cánh buồm để đưa phi thuyền vũ trụ đến những biên giới xa xôi của hệ mặt trời và ngoài đó nữa. Những cánh buồm này sẽ chế tạo từ những tấm vải plastic lớn, cực mỏng, thay vì sức gió, sẽ được đẩy đi tới bằng ánh sáng mặt trời.

Các hạt ánh sáng, hay photon, tác dụng một áp suất nhỏ khi chúng bật khỏi một bề mặt phản xạ. Kể từ khi James Maxwell chứng tỏ rằng ánh sáng tác dụng áp suất vào thập niên 1860, các nhà thám hiểm vũ trụ đã hình dung đến việc giăng buồm mặt trời. Những phát triển mới đầy thú vị trong năm nay đã và đang biến cái nhìn xa của họ thành thực tế.

Hồi tháng 5, Cơ quan Thám hiểm Vũ trụ Nhật Bản đã phóng thành công IKAROS, phi thuyền đầu tiên sử dụng cánh buồm mặt trời để làm sức đẩy trong vũ trụ. Phi thuyền trên hoàn thành việc giăng buồm trong tháng 6 và hiện đang tăng tốc về hướng Kim tinh dưới áp suất mặt trời. Hai cánh buồm mặt trời nữa cũng sắp lộ diện ở chân trời: NASA có kế hoạch phóng một cánh buồm lên trong mùa thu này, còn Hội Hành tinh học đang nhắm tới một cái tương tự vào năm 2011.

Tại Hội nghị Quốc tế Lần thứ 2 về Giăng buồm Mặt trời (ISSS 2010), tổ chức tại trường Cao đẳng Kĩ thuật thành phố New York hồi tháng 7, 60 chuyên gia từ khắp thế giới đến dự đã nhất trí tán thành rằng “công nghệ giăng buồm mặt trời có thể triển khai cho các hoạt động bay trong vũ trụ”. Ủy ban trên khuyến nghị nên tăng tốc phát triển và kiểm tra công nghệ này.

“Giăng buồm mặt trời là công nghệ duy nhất được biết mà chúng ta có trên trái đất một ngày nào đó sẽ đưa chúng ta đến với các vì sao”, Louis Friedman, chủ tịch Hội Hành tinh học phát biểu.

Những cánh buồm ngập nắng lướt nhanh

Phi thuyền vũ trụ đẩy bằng buồm có thể dùng để theo dõi trái đất hoặc tiếp cận Mặt trời để nghiên cứu các cơn bão và tai lửa mặt trời. Chúng còn có thể dùng để điều chỉnh quỹ đạo của các vệ tinh đang quay xung quanh Trái đất. Nhưng tầm với và tiềm năng thật sự của chúng còn xa hơn nữa: các chuyên gia tin rằng chúng là hệ thống đẩy tốt nhất dùng cho thám hiểm các biên giới ngoài cùng của hệ mặt trời và một ngày nào đó là cả những vì sao khác nữa. Đó là vì không giống như các tên lửa, chúng không đòi hỏi nhiên liệu và chúng thu vận tốc liên tục hễ khi nào có ánh sáng chạm vào chúng; cuối cùng chúng có thể cho phi thuyền bay đi nhanh hơn cả cái tên lửa làm được.

Ảnh minh họa cánh buồm mặt trời LightSail-1 của Hội Hành tinh học. Ảnh: Hội Hành tinh học

“Nếu bạn muốn đi thật sự nhanh chóng đến rìa ngoài của hệ mặt trời, thì bạn nên sử dụng cánh buồm mặt trời”, theo Les Johnson, trưởng ban đại diện của Phòng Các ý tưởng Cấp tiến tại Trung tâm Bay Vũ trụ Marshall của NASA. “Một hệ thống hóa học [thí dụ như] tên lửa sẽ tiêu thụ hết chất khí từ lâu trước khi chúng đến nơi đó. Với các cánh buồm mặt trời, miễn là còn có Mặt trời, bạn vẫn tiếp tục giữ vững hành trình thẳng tiến”.

Các cánh buồm mặt trời hiện nay thường chế tạo bằng các màng mỏng plastic tráng nhôm với bề dày bằng một phần nhỏ của một túi đựng rác. Những chất liệu nhẹ khác như alumina hoặc sợi carbon cũng đã và đang được kiểm nghiệm. Để thu lấy càng nhiều áp suất càng tốt từ ánh sáng mặt trời, chúng cần phải to. Cosmos-1 của Hội Hành tinh học, chẳng hạn, thiết bị không đạt tới quỹ đạo do tên lửa bị hỏng, có diện tích bề mặt là 600 mét vuông, bằng khoảng 1,5 lần kích thước của một sân bóng rổ.

Để đi tới vùng biên của hệ mặt trời sẽ đòi hỏi những cánh buồm rất lớn. Johnson hình dung các cánh buồm thế hệ tiếp theo sẽ phải có mỗi cạnh dài hàng trăm mét. Chúng sẽ triển khai gần Mặt trời để thu lực đẩy và tốc độ cao để chúng có thể lao qua phần hành trình còn lại qua hệ mặt trời.

Trong ba năm, một cánh buồm mặt trời có thể đạt tới tốc độ 150.000 dặm/giờ. Ở tốc độ đó, nó có thể đi tới Diêm Vương tinh trong thời gian chưa tới 5 năm. Các phi thuyền Voyager của NASA mất hơn 12 năm mới đi tới một cự li tương tự. Phi thuyền mới nhất đang hướng về phiad Diêm Vương tinh, sứ mệnh New Horizons của NASA, sẽ mất 9 năm để đi tới mục tiêu của nó; nó sử dụng kết hợp sức đẩy tên lửa và mượn sức hút hấp dẫn để tăng tốc.

Friedman tin rằng một phi thuyền vũ trụ đẩy bằng buồm dùng cho thám hiểm Vành đai Kuiper là có thể trong vòng 9 năm tới. Vượt ngoài quỹ đạo của Mộc tinh, năng lượng từ ánh sáng mặt trời quá yếu để giữ cho các cánh buồm tăng tốc, cho nên để đi ra khỏi hệ mặt trời của chúng ta, phi thuyền có thể cần thêm lực đẩy hỗ trợ. Theo Friedman, ánh sáng có thể cung cấp lực đẩy đó bằng một laser do mặt trời cấp nguồn đặt trên quỹ đạo xung quanh Mặt trời tại một điểm giữa bên trong hệ mặt trời.

Căng buồm cho tương lai

Trải nghiệm đầu tiên của NASA với khái niệm giăng buồm mặt trời xuất hiện vào năm 1974 với phi thuyền Mariner 10, phi thuyền được thiết kế để bay ngang qua Kim tinh và Thủy tinh. Khi hướng bay của phi thuyền cần phải thay đổi và nó đã sử dụng hết chất khí dùng cho tên lửa, các nhà điều khiển đã cho xoay các tấm mặt trời của nó đối mặt trước Mặt trời và làm đổi hướng bay của phi thuyền bằng áp suất mặt trời.

Từ năm 2001 đến 2005, NASA đã chế tạo hai cánh buồm 20 mét được kiểm tra thành công trên mặt đất dưới các điều kiện chân không. Nhưng việc tài trợ cho các dự án đó bị cắt vào năm 2005. Cùng thời gian này, các vệ tinh nhỏ gọn gọi là CubeSats xuất hiện trên vũ đài, mang lại một cơ hội giá thành thấp để phóng một cánh buồm mặt trời.

NanoSail-D của NASA sau một phép triển khai thử thành công trong phòng thí nghiệm. Sau nỗ lực đầu tiên thất bại, NASA có kế hoạch phóng NanoSail-D một lần nữa trong mùa thu này. Ảnh: NASA

Kết quả là NanoSail-D, một cánh buồm hình kim cương mỗi cạnh 3 mét cấu tạo gồm bốn miếng hình tam giác và gói gọn trong một phi thuyền 4,5 kg kích cỡ chừng bằng một chiếc máy bay mô hình. Năm 2008, NanoSail-D đã được phóng trên tên lửa Falcon-1, nhưng nó thất bại, không đạt tới quỹ đạo.

Các nhà khoa học tại Trung tâm Bay Vũ trụ Marshall của NASA có kế hoạch phòng NanoSail-D một lần nữa trong mùa thu này. Trong khi đó, Hội Hành tinh học đang xây dựng LightSail-1, một cánh buồm 32 mét vuông sẽ cân nặng chưa tới 5 kg.

Tính đến thời điểm phóng phi thuyền IKAROS của Nhật Bản hồi tháng 5 rồi, không có cánh buồm mặt trời nào từng được triển khai trong không gian chủ yếu để lấy sức đẩy. IKAROS của một cánh buồm năng lượng mặt trời sử dụng áp suất của Mặt trời làm sức đẩy và có nhúng các tế bào mặt trời màng mỏng để phát điện. Cánh buồm hình vuông cạnh dài 10 mét đó đã được triển khai và giữ phẳng do chuyển động quay tròn của phi thuyền và các đối trọng gắn liền với bốn góc của nó. Đây là nét độc đáo của thiết kế kiểu Nhật, Friedman nói, ông gọi sứ mệnh trên là “một thành tựu lớn và một bước tiến quan trọng hướng đến công nghệ bay bằng buồm mặt trời”.

Trái lại, LíghtSail và NanoSail triển khai cánh buồm bằng một cột buồm rắn chắc từ đó các mảnh buồm gắn vào. Thiết kế mang tính truyền thống hơn này có xu hướng nặng hơn thiết kế IKAROS.

Johnson cho biết thách thức lớn nhất đang chờ các kĩ sư NASA ở phía trước là chế tạo các cột buồm nhẹ hơn. Tổng khối lượng của cánh buồm càng thấp, thì nó gia tốc càng nhiều từ lực đẩy của Mặt trời. Các nhà nghiên cứu hiện đang tìm kiếm các chất liệu nhẹ, dai dùng làm cấu trúc trụ đỡ.

Giống hệt như các nhà thám hiểm thời xa xưa sử dụng những cánh buồm lộng gió để đi tìm ‘những thế giới mới’ trên các vùng biển chưa được lập hải đồ, có lẽ một ngày nào đó công nghệ giăng buồm mặt trời sẽ cho phép loài người đi ra khỏi hệ mặt trời của chúng ta và đến thăm những thế giới mới và những thế giới của người ngoài hành tinh ở đâu đó trong thiên hà của chúng ta.

Nguồn: Astrobio.net (Prachi Patel), PhysOrg.com