Trong nhiều thập kỷ qua, giấc mơ du hành giữa các vì sao luôn bị giới hạn bởi một rào cản rất thực tế: nhiên liệu. Các tàu vũ trụ hiện đại vẫn chủ yếu dựa vào động cơ tên lửa hóa học, loại động cơ yêu cầu mang theo khối lượng nhiên liệu khổng lồ. Khối lượng này không chỉ làm tăng chi phí phóng mà còn giới hạn đáng kể tầm bay của tàu.
Chính vì vậy, các nhà khoa học từ lâu đã tìm kiếm những phương thức đẩy tàu vũ trụ hoàn toàn khác. Một trong những ý tưởng được quan tâm nhất là “buồm ánh sáng”, công nghệ tận dụng áp suất bức xạ của photon để tạo lực đẩy.
Mới đây, nhóm nghiên cứu tại Đại học Tuskegee ở bang Alabama, Mỹ đã công bố một thiết kế cánh buồm hoàn toàn mới dựa trên vật liệu tinh thể quang tử. Công nghệ này được kỳ vọng có thể khắc phục điểm yếu lớn của các hệ thống buồm ánh sáng truyền thống.
Theo nguyên lý cơ bản, buồm ánh sáng hoạt động giống như buồm của tàu thuyền trên đại dương. Thay vì gió, nguồn lực đẩy ở đây là các photon ánh sáng. Khi ánh sáng chiếu vào một bề mặt phản xạ, các photon bật ngược trở lại và tạo ra một lực rất nhỏ. Nếu diện tích buồm đủ lớn và nguồn ánh sáng đủ mạnh, lực này có thể đẩy tàu vũ trụ tăng tốc.
Ý tưởng này đã được nhiều dự án lớn theo đuổi, trong đó nổi bật là chương trình Breakthrough Starshot với mục tiêu dùng laser cực mạnh để đẩy các tàu vũ trụ siêu nhỏ đạt tới một phần đáng kể tốc độ ánh sáng.
Tuy nhiên, các cánh buồm hiện nay thường được chế tạo từ màng polymer siêu mỏng phủ kim loại, chẳng hạn như nhôm. Mặc dù có khả năng phản xạ tốt, vật liệu này vẫn hấp thụ một phần ánh sáng chiếu vào. Phần năng lượng bị hấp thụ sẽ chuyển thành nhiệt.
Trong điều kiện chiếu xạ bằng laser công suất lớn, nhiệt lượng tích tụ có thể khiến cánh buồm bị biến dạng hoặc thậm chí nóng chảy theo thời gian. Việc tăng thêm lớp phản xạ kim loại có thể giảm hấp thụ nhiệt, nhưng đồng thời cũng làm tăng khối lượng của buồm, điều không mong muốn đối với một hệ thống cần càng nhẹ càng tốt.
Để tìm giải pháp thay thế, nhóm nghiên cứu tại Đại học Tuskegee đã hướng đến tinh thể quang tử, một loại vật liệu nano có khả năng điều khiển cách ánh sáng truyền qua bên trong.
Tinh thể quang tử mà nhóm nghiên cứu phát triển có cấu trúc gồm ba thành phần chính. Thành phần đầu tiên là các cột germanium có chiết suất cao. Thành phần thứ hai là các lỗ không khí có chiết suất thấp. Tất cả được đặt trong một ma trận polymer đóng vai trò vật liệu nền.
Cấu trúc này được thiết kế ở kích thước cực nhỏ, chỉ từ 100 đến 400 nanomet, tương đương khoảng một phần nghìn độ dày của sợi tóc người. Chính cấu trúc nano đặc biệt này tạo ra hiện tượng được gọi là “khe năng lượng photon”.
Hiện tượng này có thể được hiểu tương tự như cách chất bán dẫn kiểm soát chuyển động của electron. Trong trường hợp của tinh thể quang tử, vật liệu có khả năng chặn hoặc phản xạ những bước sóng ánh sáng nhất định, trong khi cho phép các bước sóng khác đi qua.
Nhờ đặc tính đó, cánh buồm có thể được thiết kế để phản xạ mạnh tia laser dùng cho hệ thống đẩy, đồng thời gần như trong suốt đối với ánh sáng Mặt Trời. Điều này giúp giảm đáng kể lượng nhiệt tích tụ.
Trong các thử nghiệm ban đầu, nhóm nghiên cứu cho biết một tấm vật liệu diện tích 1 mét vuông có thể đạt độ phản xạ khoảng 90% khi được chiếu bằng laser công suất 100 kilowatt ở bước sóng 1,2 micromet. Theo các nhà khoa học, mức hiệu suất này đã đủ để sử dụng trong các hệ thống đẩy thử nghiệm.
Với điều kiện như vậy, lực đẩy tạo ra có thể giúp tàu vũ trụ đạt vận tốc vài trăm mét mỗi giây chỉ sau khoảng một giờ hoạt động. Dù con số này vẫn còn rất xa so với tốc độ cần thiết cho du hành liên sao, nó vẫn được xem là một bước tiến đáng chú ý.
Phó giáo sư Dimitar Dimitrov của Đại học Tuskegee cho biết điểm mấu chốt của thiết kế nằm ở khả năng điều chỉnh chính xác khe năng lượng photon sao cho trùng với tần số của laser đẩy. Nhờ đó, cánh buồm có thể phản xạ mạnh tại dải bước sóng mong muốn, đồng thời vẫn gần như trong suốt với bức xạ Mặt Trời.
Ông cho rằng đóng góp quan trọng nhất của nghiên cứu là chứng minh tính khả thi trong việc chế tạo các cấu trúc tinh thể quang tử đa vật liệu với đặc trưng nano có thể điều khiển được.
Kết quả cũng cho thấy những cấu trúc này có thể kết hợp nhiều ưu điểm cùng lúc như khối lượng thấp, khả năng chọn lọc bước sóng cao và tiềm năng mở rộng sản xuất.
Nghiên cứu đã được công bố trên Tạp chí Nanophotonics, và được xem là một bước tiến mới trong nỗ lực phát triển các hệ thống đẩy phi nhiên liệu cho tàu vũ trụ.
Dù con đường tới du hành liên sao vẫn còn rất dài, các nhà khoa học tin rằng những công nghệ như buồm ánh sáng tinh thể quang tử có thể trở thành nền tảng cho thế hệ tàu vũ trụ trong tương lai. Nếu thành công, chúng có thể mở ra khả năng khám phá không gian sâu mà không cần mang theo những khối nhiên liệu khổng lồ như ngày nay.
Đức Khương
