Buồm mặt trời lấy lực đẩy từ ánh sáng như thế nào?

Buồm mặt trời lấy lực đẩy từ động lượng của ánh sáng chiếu lên bề mặt, đặc biệt khi photon được phản xạ. Nó không cần gió theo nghĩa không khí thổi vào cánh buồm, cũng không sử dụng cùng cơ chế với một hệ thống khai thác các hạt tích điện của gió Mặt Trời.

Ý tưởng nghe đơn giản nhưng đặt ra bài toán kết cấu khó: tạo một mặt buồm đủ lớn, giữ khối lượng thấp và đưa nó từ trạng thái gấp gọn sang hình dạng làm việc. ACS3 của NASA là một ví dụ lịch sử về thử nghiệm công nghệ ấy, không phải một nhiệm vụ vừa được phóng trong năm 2026.

Ánh sáng có thể truyền động lượng

Bài giải thích NASA ngày 25/7/2024 mô tả photon bật khỏi mặt buồm và tạo ra lực đẩy. Thay đổi góc buồm là một phần của cách điều khiển tác động của lực này lên quỹ đạo.

Cần phân biệt lực với thay đổi vận tốc tích lũy. Một lực nhỏ không khiến tàu tăng tốc mạnh ngay lập tức, nhưng khi tác dụng qua thời gian, nó vẫn có thể làm thay đổi chuyển động. Vì vậy, đánh giá một hệ đẩy không thể chỉ dựa vào hình dung về cú tăng tốc rõ rệt như khi tên lửa cất cánh.

Cũng không nên suy rằng chỉ cần xoay mặt phản chiếu là có thể đi theo mọi hướng tùy ý. Quỹ đạo, hướng chiếu sáng và cách định hướng tàu cùng đặt ra điều kiện vận hành. Buồm là một phần của hệ thống điều khiển chuyến bay, không phải tấm vật liệu hoạt động độc lập với phần còn lại.

Vì sao phải mở một mặt buồm rất lớn?

Trang kỹ thuật ACS3 cho biết áp suất bức xạ nhỏ nên cần mặt buồm lớn để tạo lực đẩy hữu ích. Mặt vuông của thiết kế rộng khoảng 9 mét mỗi cạnh, được đỡ bởi các thanh triển khai.

Con số diện tích chỉ có ý nghĩa khi nhìn cùng khối lượng phải gia tốc. Một tấm phản chiếu lớn nhưng quá nặng sẽ đặt ra bài toán khác với một màng mỏng và kết cấu nhẹ. Đây là lý do thiết kế buồm không đơn giản là phóng to một gương phản xạ có sẵn.

Từ góc độ kỹ thuật hệ thống, hiệu quả của vật liệu phải đi cùng khả năng đóng gói. Tàu cần được đưa lên tên lửa trong trạng thái gọn; hình dạng làm việc chỉ xuất hiện sau khi triển khai. Hai trạng thái rất khác nhau ấy phải được nối với nhau bằng một cơ cấu đáng tin.

Khung composite giải quyết phần việc nào?

ACS3 được phóng ngày 23/4/2024. Theo NASA, các thanh đỡ sử dụng polymer gia cường sợi carbon có thể cuộn gọn khi cất giữ, rồi trở thành kết cấu cứng, nhẹ khi mở. Camera trên tàu phục vụ đánh giá hình dạng và độ thẳng hàng của buồm.

Điều được thử nghiệm ở đây không chỉ là vật liệu có phản chiếu ánh sáng hay không. Nhóm kỹ thuật còn cần biết kết cấu có mở đúng, giữ đúng hình dạng và hỗ trợ mặt buồm hoạt động như thiết kế hay không. Một mô hình cơ học thuận lợi trên giấy chưa thay thế được việc quan sát hệ thống triển khai.

Đây là cách đọc đúng một nhiệm vụ trình diễn công nghệ. Kết quả của nó giúp giảm bớt bất định cho thiết kế sau; không tự động chứng minh mọi phương tiện lớn hơn đã sẵn sàng hoặc có thể dùng cùng cơ cấu mà không kiểm tra lại.

Buồm ánh sáng khác buồm điện

Tài liệu động lực đẩy tàu nhỏ của NASA tách buồm ánh sáng khỏi khái niệm buồm điện. Buồm điện dùng dây được tích điện để tương tác với các proton của gió Mặt Trời; buồm phản xạ khai thác động lượng photon.

Sự khác biệt này có ý nghĩa khi diễn giải hình minh họa. Cả hai đều có thể được nhắc tới như phương án tận dụng môi trường không gian, nhưng vật lý tạo lực và yêu cầu phần cứng không giống nhau. Dùng từ “gió” cho mọi cơ chế dễ làm người đọc tưởng cần một luồng vật chất đẩy vào mặt buồm quang học.

Tấm pin mặt trời cũng đảm nhiệm một việc khác. Nó cấp điện cho thiết bị trên tàu, trong khi mặt buồm tạo lực nhờ tương tác với ánh sáng. Có điện từ Mặt Trời không có nghĩa mọi tàu dùng pin mặt trời đều được đẩy bằng buồm.

Lợi thế có giới hạn của nó

Không tiêu hao nhiên liệu đẩy theo cách thông thường là một đặc điểm hấp dẫn, nhưng không đồng nghĩa tuổi thọ vô hạn. NASA nêu độ bền vật liệu và thiết bị điện tử trong môi trường không gian là những yếu tố giới hạn. Phương tiện vẫn phải duy trì điều khiển và trạng thái kỹ thuật phù hợp.

Điều đáng theo dõi ở công nghệ này là khả năng biến một màng lớn, nhẹ thành hệ thống vận hành được. Lực photon giải thích nguồn động lực; cơ cấu triển khai, độ ổn định và thiết kế nhiệm vụ quyết định có thể sử dụng nguồn lực ấy ra sao. Hai phần phải được đánh giá cùng nhau.

Nguồn và hình minh họa

Nguồn: NASA: ACS3; cập nhật tháng 7/2024; NASA: In-Space Propulsion. Bài không xác nhận hiện trạng quỹ đạo của ACS3 trong tháng 10/2026.

Ảnh: NASA, Wikimedia Commons, phạm vi công cộng. Đây là minh họa thiết kế năm 2021, không phải ảnh tàu chụp trong quỹ đạo.