Một nghiên cứu vừa được thực hiện tại Trung tâm Vũ trụ Việt Nam (thuộc Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam) đang mở ra hướng đi mới cho công nghệ vệ tinh nội địa: Vật liệu siêu nhẹ nhưng vẫn đảm bảo độ bền và khả năng chịu rung khắc nghiệt (VAST01.03/24-25).
Cụ thể, TS. Tô Anh Đức và nhóm nghiên cứu đã triển khai thành công đề tài "Nghiên cứu chế tạo và thử nghiệm ứng dụng vật liệu CFRP/CNMs trong hộp bảo vệ linh kiện của vệ tinh". Điểm đáng chú ý không nằm ở việc tạo ra vật liệu hoàn toàn mới, mà ở cách tiếp cận cải tiến từ "bên trong" ở cấp độ nano để giải bài toán tưởng chừng đã bế tắc lâu nay.
Đột phá từ chi tiết nhỏ nhất: Lớp "keo" trong vật liệu
Trong thiết kế vệ tinh, đặc biệt là vệ tinh cỡ nhỏ, khối lượng luôn là yếu tố sống còn. Mỗi gram được cắt giảm đồng nghĩa với tiết kiệm chi phí phóng và tối ưu hiệu suất hoạt động. Tuy nhiên, nhẹ không thể đánh đổi bằng yếu – các cấu trúc vẫn phải chịu được rung động cực lớn khi tên lửa rời bệ phóng.
Vật liệu composite sợi carbon (CFRP) từ lâu đã được xem là giải pháp thay thế nhôm nhờ trọng lượng nhẹ và độ cứng cao. Nhưng điểm yếu lại nằm ở lớp keo epoxy thành phần liên kết các lớp sợi vốn giòn, dễ nứt khi chịu tải động.
Nhóm nghiên cứu Việt Nam đã "đánh" trực diện vào điểm yếu này.
Thay vì thay đổi toàn bộ vật liệu, họ bổ sung ống nanocacbon (CNTs) vào chính lớp keo epoxy. Tuy nhiên, CNTs lại có nhược điểm là dễ kết tụ, khiến hiệu quả gia cường giảm đáng kể. Để khắc phục, nhóm đã biến tính bề mặt các ống nano bằng cách gắn nhóm chức hóa học (-COOH), giúp chúng phân tán đồng đều trong nền epoxy.
Sự thay đổi diễn ra ở cấp độ siêu nhỏ, nhưng tạo ra khác biệt lớn: lực được phân bố đều hơn, hạn chế nứt gãy, đồng thời tăng cả độ bền lẫn độ "dai" của vật liệu.
Từ phòng thí nghiệm đến sản phẩm thật
Không dừng lại ở lý thuyết, nhóm nghiên cứu đã hoàn thiện toàn bộ quy trình công nghệ: từ xử lý vật liệu nano, chế tạo keo epoxy gia cường, đến tích hợp với sợi carbon để tạo thành vật liệu composite hoàn chỉnh.
Quan trọng hơn, họ đã chế tạo thành công hộp bảo vệ linh kiện vệ tinh một cấu phần thực tế, có yêu cầu rất cao về độ kín, độ cứng và khả năng chịu rung.
Sản phẩm sau đó được đưa vào thử nghiệm rung động mô phỏng điều kiện phóng bước kiểm chứng khắt khe nhất trước khi có thể ứng dụng trong thực tế không gian.
Kết quả thử nghiệm cho thấy sự cải thiện rõ rệt.
Ở hàm lượng tối ưu khoảng 0,2% ống nanocacbon đã biến tính, vật liệu đạt được sự cân bằng giữa độ bền và độ dẻo: vừa chịu lực tốt hơn, vừa có khả năng biến dạng trước khi gãy – yếu tố quan trọng để chống nứt vỡ do rung động.
Hộp bảo vệ linh kiện làm từ vật liệu mới chỉ nặng khoảng 65 gram, tương đương khoảng 70% so với hộp nhôm cùng kích thước. Dù nhẹ hơn đáng kể, các thông số dao động trong thử nghiệm rung đều nằm trong giới hạn tiêu chuẩn quốc tế, cho thấy cấu trúc gần như không bị ảnh hưởng.
Đáng chú ý, nếu tính trên cùng đơn vị khối lượng, vật liệu composite gia cường nano này còn cho hiệu quả chịu tải và độ cứng cao hơn nhôm, đặc biệt theo phương rung chính. Nói cách khác, không chỉ nhẹ hơn, vật liệu còn "làm việc hiệu quả hơn" – yếu tố then chốt trong thiết kế vệ tinh hiện đại.
Hội đồng nghiệm thu của Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam đánh giá cao đề tài, đặc biệt ở cách tiếp cận mang tính hệ thống: từ nghiên cứu vật liệu, phát triển công nghệ, đến chế tạo sản phẩm và thử nghiệm trong điều kiện mô phỏng thực tế.
Việc làm chủ công nghệ ở cấp độ nano được xem là bước nền quan trọng, không chỉ giúp tối ưu một chi tiết nhỏ, mà còn mở đường cho khả năng làm chủ các cấu trúc quan trọng hơn của vệ tinh trong tương lai.
Ngọc Minh
