Tàu vũ trụ tương lai có thể truyền dữ liệu bằng laser ngay khi đang lao qua khí quyển

Khoảnh khắc một tàu vũ trụ lao trở lại Trái Đất là lúc dữ liệu chuyến bay trở nên quý giá nhất, nhưng cũng là lúc liên lạc có thể trở nên khó khăn nhất. Một kế hoạch thử nghiệm mới muốn thay đổi điều đó bằng cách dùng laser để truyền dữ liệu trực tiếp từ tàu đang tái nhập tới một vệ tinh trên quỹ đạo.

Ngày 10/8/2026, công ty truyền thông quang học Astrolight của Lithuania và hãng logistics vũ trụ ATMOS Space Cargo của Đức công bố kế hoạch hợp tác thử nghiệm một liên kết laser giữa phương tiện tái nhập PHOENIX 2 và một vệ tinh quỹ đạo thấp. Cuộc thử nghiệm dự kiến diễn ra trong năm 2027, với các terminal laser ATLAS-X được lắp trên cả PHOENIX 2 và vệ tinh đối tác.

Theo thông tin hai công ty công bố, hệ thống hướng tới truyền dữ liệu nhiệm vụ và dữ liệu hệ thống theo thời gian thực với tốc độ lên tới 2,5 Gbps trong quá trình hoạt động trên quỹ đạo và tiếp tục liên kết khi PHOENIX bước vào giai đoạn tái nhập khí quyển.

Nếu thành công, đây sẽ là một trong những bước thử nghiệm quan trọng nhất cho ý tưởng dùng liên lạc quang học để duy trì kết nối với phương tiện tái nhập. Tuy nhiên, cần nhấn mạnh rằng tính đến tháng 8/2026 đây vẫn là kế hoạch bay thử cho năm 2027, chưa phải một liên kết laser đã được chứng minh thành công trên một tàu vũ trụ thực đang lao qua khí quyển.

Vì sao tàu vũ trụ có thể mất liên lạc khi tái nhập?

Khi một tàu vũ trụ trở lại Trái Đất với tốc độ siêu vượt âm, không khí phía trước nó bị nén và nung nóng mạnh. Nhiệt độ đủ cao có thể ion hóa một phần khí xung quanh, tạo nên một lớp plasma bao quanh phương tiện.

Lớp plasma này có thể hấp thụ, làm suy giảm hoặc phản xạ một số sóng điện từ. Với hệ thống telemetry vô tuyến truyền thống, hậu quả có thể là tín hiệu yếu đi đáng kể hoặc xuất hiện giai đoạn “radio blackout” – thời điểm phương tiện gần như mất liên lạc với trạm mặt đất.

Hiện tượng này không phải vấn đề mới. Nó đã được nghiên cứu từ thời kỳ đầu của chương trình không gian có người lái. Mức độ blackout phụ thuộc vào hình dạng tàu, vận tốc, độ cao, mật độ electron của plasma, tần số tín hiệu và nhiều yếu tố khí động học khác.

Điều khiến bài toán trở nên quan trọng với các tàu chở hàng thế hệ mới là lượng dữ liệu ngày càng lớn. Các cảm biến khoa học, camera, hệ thống điều khiển, thiết bị theo dõi tải trọng và các bộ ghi dữ liệu có thể tạo ra lượng thông tin vượt xa khả năng của những liên kết telemetry tốc độ thấp.

Laser có gì khác sóng radio?

Laser communication, hay liên lạc quang học trong không gian, cũng dùng sóng điện từ để mang dữ liệu. Khác biệt nằm ở tần số: ánh sáng hồng ngoại dùng cho laser communication có tần số cao hơn radio rất nhiều.

NASA giải thích rằng bước sóng ngắn hơn của ánh sáng hồng ngoại cho phép truyền nhiều dữ liệu hơn trong một liên kết. Hệ thống laser cũng có thể nhỏ, nhẹ và tiêu thụ ít điện hơn so với một số hệ radio có khả năng truyền dữ liệu tương đương.

Trong môi trường plasma, sự khác biệt về tần số có thể đặc biệt hữu ích. Một lớp plasma có thể trở nên gần như không trong suốt đối với sóng radio khi tần số sóng thấp hơn hoặc nằm gần tần số plasma đặc trưng. Trong khi đó, ánh sáng hồng ngoại có tần số cao hơn nhiều, nên về nguyên lý có khả năng đi qua lớp plasma mà tín hiệu radio không thể xuyên qua hiệu quả.

Điều đó không có nghĩa laser miễn nhiễm với mọi vấn đề. Plasma không đồng đều có thể gây biến dạng pha, khúc xạ và dao động cường độ. Các hạt vật liệu từ quá trình tái nhập có thể tán xạ ánh sáng. Chưa kể một chùm laser hẹp phải được giữ chính xác trên một vệ tinh đang di chuyển với tốc độ hàng kilomet mỗi giây trong khi bản thân phương tiện phát cũng rung, quay và giảm tốc dữ dội.

Ý tưởng này đã có bằng chứng trong phòng thí nghiệm

Khả năng dùng laser để vượt qua blackout khi tái nhập không xuất hiện lần đầu trong dự án Astrolight–ATMOS.

Năm 2017, một nhóm nghiên cứu Nga công bố trên tạp chí Applied Optics thí nghiệm về truyền laser ở bước sóng 1,55 micromet qua lớp plasma có thông số tương tự môi trường quanh phương tiện tái nhập. Nhóm sử dụng cơ sở shock tube của Viện Cơ học, Đại học Quốc gia Moscow để tái tạo điều kiện plasma và đánh giá khả năng truyền quang.

Kết quả cho thấy liên lạc laser ở vùng 1,55 micromet có thể duy trì qua lớp plasma trong các điều kiện được mô phỏng, củng cố cơ sở vật lý cho việc sử dụng optical communication để tránh radio blackout.

Tuy nhiên, đây là thí nghiệm trong phòng lab. Một chuyến bay thực tế phải đồng thời đối mặt với plasma biến thiên theo thời gian, chuyển động tốc độ cao, rung động, nhiệt, vật liệu nóng bị cuốn khỏi bề mặt và bài toán pointing giữa hai phương tiện cùng di chuyển. Đó chính là khoảng cách mà thử nghiệm PHOENIX 2 năm 2027 muốn thu hẹp.

PHOENIX 2 sẽ truyền dữ liệu lên vệ tinh thay vì xuống trạm mặt đất

Điểm đáng chú ý trong kiến trúc thử nghiệm là chùm laser không nhất thiết phải nhắm trực tiếp xuống một trạm quang học dưới mặt đất. Astrolight dự kiến đặt terminal ATLAS-X trên PHOENIX 2 và một terminal tương ứng trên vệ tinh quỹ đạo thấp.

Như vậy, tàu tái nhập sẽ cố gắng thiết lập liên kết spacecraft-to-satellite. Vệ tinh có thể đóng vai trò nút relay, nhận dữ liệu từ phương tiện đang trở về rồi chuyển tiếp qua mạng không gian hoặc xuống mặt đất bằng một liên kết khác.

Mô hình này có một lợi thế quan trọng: phương tiện tái nhập không phải phụ thuộc hoàn toàn vào việc nhìn thấy một trạm mặt đất cụ thể. Với mạng vệ tinh relay đủ dày, về lý thuyết dữ liệu có thể được chuyển tiếp gần thời gian thực trong phần lớn hành trình.

Đây cũng phù hợp với xu hướng xây dựng mạng truyền thông quang học trong không gian. Các hệ thống như Laser Communications Relay Demonstration của NASA đã cho thấy liên kết laser giữa các nút trên quỹ đạo và mặt đất có thể đạt tốc độ gigabit. LCRD hiện vận hành các thử nghiệm ở mức 1,2 Gbps, trong khi nhiều chương trình laser communication khác đã đạt tốc độ cao hơn trong những cấu hình chuyên biệt.

Mục tiêu 2,5 Gbps có ý nghĩa lớn với một tàu tái nhập

Astrolight và ATMOS đặt mục tiêu tốc độ tới 2,5 Gbps cho liên kết thử nghiệm. Đây không phải tốc độ được cam kết duy trì liên tục trong toàn bộ quá trình tái nhập, mà là mức tối đa được công bố cho hệ thống.

Ở 2,5 Gbps, về lý thuyết một liên kết có thể chuyển hàng trăm megabyte dữ liệu mỗi giây. Điều này mở ra khả năng truyền video độ phân giải cao, dữ liệu cảm biến tốc độ cao hoặc sao lưu nhanh các file thí nghiệm trước khi phương tiện chạm đất.

Đối với nhiệm vụ mang mẫu vật hoặc thí nghiệm từ quỹ đạo về Trái Đất, khả năng gửi dữ liệu trước khi thu hồi tàu đặc biệt hữu ích. Nếu phương tiện hạ cánh sai vị trí, bị hư hỏng hoặc không thể thu hồi, ít nhất một phần dữ liệu quan trọng đã được gửi khỏi tàu.

CEO ATMOS Space Cargo Sebastian Klaus cho biết kết nối theo thời gian thực ngày càng quan trọng khi các nhiệm vụ hoàn trả hàng hóa trở nên tự động và tạo nhiều dữ liệu hơn. Theo công ty, liên kết quang học có thể hỗ trợ giám sát payload cũng như các hoạt động de-orbit và tái nhập tự động.

ATLAS-X phải làm một việc cực khó: bắn trúng mục tiêu đang chạy trên trời

Một laser communication terminal không chỉ là một diode laser mạnh. Nó cần hệ thống acquisition, pointing và tracking để tìm mục tiêu, khóa chùm tia và duy trì liên kết.

Laser có ưu điểm là chùm tia rất hẹp. Điều này giúp tập trung công suất lên bộ thu, tăng tốc độ dữ liệu và khó bị thu trộm hơn so với một tín hiệu radio phát rộng. Nhưng ưu điểm đó cũng biến thành thách thức: lệch góc rất nhỏ cũng có thể khiến chùm laser trượt khỏi terminal phía bên kia.

Trong trường hợp PHOENIX 2, hệ thống phải bù cho quỹ đạo của vệ tinh, quỹ đạo tái nhập của capsule, rung động cơ học, chuyển động quay, thay đổi tư thế và sai số dự đoán vị trí. Tất cả diễn ra trong lúc phương tiện đang giảm tốc mạnh trong khí quyển.

Astrolight mô tả ATLAS-X là terminal quang học thế hệ mới tối ưu theo tiêu chí low-SWaP – tức kích thước, khối lượng và mức tiêu thụ điện thấp. Đây là đặc tính quan trọng với phương tiện tái nhập vì mỗi kilogram thiết bị liên lạc đều cạnh tranh trực tiếp với tải trọng thương mại và khoa học.

Bản thân PHOENIX 2 cũng là một nền tảng tái nhập khác thường

PHOENIX 2 được ATMOS phát triển như một orbital transfer and return vehicle có thể tái sử dụng cho nhiệm vụ chở hàng tự động. Theo thông số hiện tại của công ty, phương tiện được thiết kế cho tải trọng tối đa 100 kg và có thể hoạt động trên quỹ đạo từ vài giờ tới nhiều tháng.

Đáng chú ý, PHOENIX 2 sử dụng Inflatable Atmospheric Decelerator, một cấu trúc giảm tốc khí quyển có thể triển khai, đồng thời đóng vai trò lá chắn nhiệt và phanh khí động học. ATMOS mô tả hệ này là thiết kế không ablative, nhằm giảm mất vật liệu khi tái nhập và hỗ trợ khả năng tái sử dụng.

Thiết kế này cũng khiến PHOENIX trở thành một nền tảng thú vị để thử nghiệm laser communication. Trong một tàu có hình học và trạng thái khí động thay đổi đáng kể trong quá trình giảm tốc, hệ thống tracking quang học phải chứng minh rằng nó có thể duy trì hướng chùm tia trong môi trường thực tế chứ không chỉ trên bàn thử.

Laser không phải “thuốc chữa” cho mọi blackout

Việc laser có thể xuyên qua plasma tốt hơn radio trong nhiều điều kiện không đồng nghĩa blackout sẽ biến mất hoàn toàn.

Trước hết là tán xạ và hấp thụ. Các sản phẩm ion hóa, hạt bụi và vật liệu quanh phương tiện có thể làm suy giảm tín hiệu quang. Nghiên cứu phòng thí nghiệm trước đây cũng cho thấy các hạt sinh ra từ vật liệu ablative có thể gây dao động cường độ laser.

Thứ hai là turbulence. Mật độ và nhiệt độ khí thay đổi rất nhanh quanh một phương tiện siêu vượt âm. Chùm laser đi qua môi trường có chiết suất thay đổi có thể bị lệch, mở rộng hoặc nhấp nháy.

Thứ ba là hình học liên kết. Vệ tinh relay phải nằm ở vị trí phù hợp, trong khi terminal trên tàu cần duy trì line-of-sight và có đủ khả năng quay để tiếp tục bám mục tiêu.

Cuối cùng là độ tin cậy. Một liên kết dữ liệu phục vụ điều khiển hoặc telemetry an toàn không chỉ cần tốc độ cao mà còn phải hoạt động ổn định, có cơ chế chuyển đổi sang radio và các đường truyền dự phòng khi laser bị gián đoạn.

Vì sao thử nghiệm năm 2027 đáng theo dõi?

Laser communication trong không gian không còn là công nghệ viễn tưởng. NASA đã dùng laser để truyền dữ liệu từ Mặt Trăng, từ Trạm Vũ trụ Quốc tế, từ các CubeSat và thậm chí thực hiện liên kết quang học ở khoảng cách liên hành tinh với thử nghiệm Deep Space Optical Communications trên tàu Psyche.

Nhưng truyền dữ liệu từ một phương tiện đang tái nhập khí quyển là một chế độ hoạt động khác hẳn. Phương tiện không ở trong môi trường tương đối ổn định của quỹ đạo mà phải xuyên qua plasma, chịu rung và giảm tốc trong khi liên tục thay đổi vị trí so với vệ tinh nhận.

Nếu Astrolight và ATMOS thực hiện thành công thử nghiệm đã lên kế hoạch, nó sẽ kết nối hai công nghệ đang phát triển nhanh: tàu hoàn trả hàng hóa thương mại và mạng truyền thông laser trên quỹ đạo.

Về lâu dài, một tàu chở mẫu nghiên cứu, thuốc sản xuất trong vi trọng lực hoặc linh kiện chế tạo trên quỹ đạo có thể gửi toàn bộ dữ liệu quan trọng lên mạng vệ tinh ngay trước và trong lúc trở về. Các tàu có người lái cũng có thể hưởng lợi từ một đường truyền bổ sung bên cạnh radio truyền thống.

Tương lai có thể là một mạng Internet laser bao quanh cả hành trình vũ trụ

Ngày nay, liên lạc với tàu vũ trụ thường được hình dung theo mô hình tàu–trạm mặt đất. Nhưng mạng không gian thế hệ mới có thể giống Internet hơn: mỗi tàu, vệ tinh và trạm mặt đất là một nút, còn dữ liệu được định tuyến qua nhiều liên kết quang học và vô tuyến khác nhau.

Trong mô hình đó, một tàu tái nhập không cần cố truyền trực tiếp toàn bộ dữ liệu xuống một anten ở mặt đất. Nó có thể bắn laser lên vệ tinh đang bay phía trên, vệ tinh chuyển dữ liệu sang một vệ tinh khác rồi mới truyền xuống nơi có điều kiện tốt nhất.

Kế hoạch PHOENIX 2 năm 2027 vẫn còn phải vượt qua một loạt thách thức kỹ thuật trước khi ý tưởng đó trở thành thực tế. Nhưng nếu một chùm laser có thể giữ khóa với vệ tinh ngay khi tàu đang lao qua plasma của quá trình tái nhập, “mất liên lạc khi trở về Trái Đất” có thể dần trở thành một vấn đề có thêm phương án giải quyết.

Nguồn tham khảo

• SpaceWatch.GLOBAL: Astrolight và ATMOS lên kế hoạch thử liên kết laser giữa phương tiện tái nhập và vệ tinh, 2026.
• ATMOS Space Cargo: thông tin kỹ thuật PHOENIX 2.
• Astrolight: dòng terminal laser communication ATLAS.
• Bykova và cộng sự: Experimental demonstration of the feasibility of laser communication with reentry spacecraft at 1.55 μm, Applied Optics, 2017.
• NASA: Laser Communications.