ĐGTD ĐH Bách khoa - Đọc hiểu chủ đề khám phá khoa học - Đề 3

Đọc văn bản sau và trả lời câu hỏi:

Cách mạng trong thám hiểm vũ trụ bằng lực đẩy ánh sáng

(1) Ánh  sáng  là  khởi  nguồn  của  vũ  trụ. Những tia sáng đầu tiên rọi chiếu  vũ trụ bắt đầu cách đây khoảng 13,7  tỷ năm. Ánh sáng mang đến cho vũ  trụ mọi thứ và kiến tạo nên sự sống  trên các hành tinh. Đó là nguồn năng  lượng vô tận. Cũng giống như hàng  trăm tỷ ngôi sao khác trong dải Ngân  hà, Mặt trời mang nguồn năng lượng  vô giá cho Trái đất. Ánh sáng mặt trời  cho phép một Trái đất phì nhiêu sức  sống, từ những loài vi khuẩn vô cùng  nhỏ bé đến những cơ thể sống khổng  lồ, từ đại dương bao la đến núi rừng  xanh ngát. Loài người biến ánh sáng  mặt trời thành nguồn năng lượng dồi  dào cho cuộc sống. Đó là một nguồn  năng  lượng  sạch  và  không  thể  cạn  kiệt cho ít nhất 5 tỷ năm nữa.

(2) Với các nhà khoa học vũ trụ, ánh  sáng  mặt  trời  giúp  “nuôi  sống”  các  cỗ máy khoa học tối tân, những phi  thuyền đang lao vút trong không gian  và những xe tự hành đang lăn bánh  trên bề mặt các hành tinh. Nhưng xa  hơn thế, họ đang nung nấu một giấc  mơ ấp ủ suốt nửa thế kỷ. Đó là biến  ánh sáng mặt trời thành những cơn  gió giúp các phi thuyền “căng buồm”  vào  không  gian  liên  hành  tinh  và  xa hơn nữa là liên sao. Giấc mơ đó  không phải là không có cơ sở.  

(3) Cách đây hơn một thế kỷ, Albert  Einstein  đã  phát  triển  thuyết  lượng  tử ánh sáng lên một nấc thang mới.  Mô hình về photon ánh sáng mà nhà  khoa học thiên tài này đưa ra nhằm  giải thích những quan sát thực nghiệm  mà  không  thể  giải  thích  thỏa  đáng  bởi   mô hình sóng  cổ điển. Bản chất  lưỡng tính sóng - hạt của ánh sáng đã  tháo những nút thắt cơ bản trong vật  lý đương đại. Bên cạnh tính chất sóng  thì ánh sáng cư xử như những hạt gọi  là những lượng tử ánh sáng - photon.  Einstein  chỉ  ra  rằng,  lượng  tử  năng  lượng photon cũng phải mang  động  lượng, do vậy chúng có đầy đủ tính  chất của một  hạt. Thời gian sau đó,  động lượng của photon đã được quan  sát bằng thực nghiệm  bởi   nhà vật lý  Arthur  Compton.  Năm  1927,  chính  thí nghiệm này đã giúp ông được trao  giải Nobel trong lĩnh vực Vật lý.  

(4) Đó chính là mấu chốt của vấn đề  giúp  các  nhà  khoa  học  mơ  về  một  tương lai thế hệ tàu vũ trụ di chuyển  nhờ áp lực của ánh sáng. Theo đó,  các  photon  ánh  sáng  của  Mặt  trời  cũng như những ngôi sao mang động  lượng, khi gặp vật cản phản xạ, chúng  chuyển động lượng theo hướng ngược  lại với ánh sáng dội lại. Động lượng  của nó sẽ tạo thành một lực đẩy. Mặc  dù rất nhỏ nhưng với tiết diện phản  xạ lớn, khối lượng tàu vũ trụ nhỏ và  trong môi trường chân không thì lực  đẩy này sẽ trở nên đáng kể, giúp phi  thuyền di chuyển trong không gian.  Điều  này  giống  như  việc  chúng  ta  ném những quả bóng tenis vào một  tấm  phản  gắn  dựng  đứng  trên  một  chiếc  thuyền  nhỏ.  Khi  ném  liên  tục  những quả bóng sẽ tác động lực lên  tấm phản làm cho thuyền di chuyển  trên mặt nước. Trong trường hợp này,  các  photon  được  ví  như  những  quả  bóng tennis. Đối với những con tàu  vũ  trụ  thì  những  tấm  khiên  nhẹ  với  tiết  diện  phản  xạ  như  những  cánh  buồm no gió. Như vậy, chúng ta sẽ có  một phi thuyền vũ trụ hoạt động mà  không cần động cơ, nhiên liệu. Vào  năm 1976, nhà thiên văn học huyền  thoại Carl Sagan trong chương trình  Tonight Show với Johnny Carson đã  đề cập đến một phương pháp đẩy cho  các phi thuyền không gian mới gọi là  cánh buồm mặt trời.  

(5) Đã  4  thập  kỷ  trôi  qua,  những  điều tưởng như chỉ là trong giấc mơ  đã dần thành hiện thực. Đó là điều  tuyệt vời nhất mà các nhà khoa học  vũ trụ có được trong kỷ nguyên chinh  phục không gian. Tháng 8/2008, Cơ  quan Hàng không vũ trụ Mỹ (NASA)  cũng đã công bố một “chiếc thuyền  buồm”  vũ  trụ  hình  khối  nhỏ  có  tên  Nanosail-D.  NanoSail-D  là  một  vệ  tinh nhỏ (CubeSat) được Trung tâm  Nghiên cứu Ames của NASA sử dụng  để  nghiên  cứu  triển  khai  một  cánh  buồm mặt trời trong không gian. Đó  là một CubeSat 3 đơn vị (3U) có kích  thước 30 x 10 x 10 cm, với khối lượng  4  kg.  Vệ  tinh  đã  bị  mất  ngay  sau  khi phóng do sự cố tên lửa Falcon 1  mang nó. Sau đó, NASA đã thay thế  một sứ mệnh mới với NanoSail-D2 đã  được triển khai thành công vào đầu  năm 2011.

(6) Tháng  6/2010,  Cơ  quan  Hàng  không  vũ  trụ  Nhật  Bản  (JAXA)  đã  phóng  thành  công  “du  thuyền  mặt  trời”  Ikaros  vào  không  gian.  Dự  án  đầy  tham  vọng  này  đã  chứng  minh  rằng, một màng mỏng gắn vào thân  tàu vũ trụ có thể đẩy phương tiện về  phía trước bằng cách thu thập động  lượng từ lực đẩy của các hạt ánh sáng  của Mặt trời. Tuy nhiên, có một dự án  tham  vọng  hơn  được  các  nhà  khoa  học có cùng ước mơ “cánh buồm mặt  trời”  âm  thầm  thực  hiện.  Vào  năm  2005, Hội Khoa học hành tinh đã nỗ  lực gửi một vệ tinh cánh buồm mặt  trời  mang  tên  Cosmos  1  lên  vũ  trụ  trong một chương trình hợp tác Nga  - Mỹ. Tuy nhiên, kết quả đã trở thành  công cốc khi tên lửa đẩy Volna mang  theo  vệ  tinh  đã  tắt  chỉ  83  giây  sau  khi phóng từ một tàu ngầm của Nga  trên biển Barents. Tên lửa bị tắt ngay  trong giai đoạn khởi động tầng đầu  tiên và đã không đạt được quỹ đạo.  Năm 2009, Hội Khoa học hành tinh  lại tiếp  tục làm một cánh buồm mặt  trời thử nghiệm với CubeSat dựa trên  dự án NanoSail-D của NASA  Ikaros và “cánh buồm” của nó.

(7) Năm  2011, dự án đầy tham vọng  mang  tên  LightSail  đã  ra  đời  để  chứng minh việc chèo thuyền mặt trời  có kiểm soát trong quỹ đạo Trái đất  thấp bằng cách sử dụng CubeSat. Dự  án LightSail được phát triển bởi Hội  Khoa học hành tinh bao gồm 2 tàu vũ  trụ LightSail 1 và LightSail 2. Cả hai  tàu vũ trụ LightSail có kích thước 10  ×  10  ×  30 cm. Sau khi triển khai, diện  tích của buồm là 32 m 2 .  

(8) Ngày 20/5/2015, LightSail 1 (còn  được gọi là LightSail-A) đã được công  bố. Tháng 6/2015, ngay sau khi được  phóng, LightSail 1 đã triển khai cánh  buồm mặt trời và quay trở lại bầu khí  quyển.  LightSail  1  thực  chất  là  một  nhiệm  vụ  trình  diễn  kỹ  thuật  được  thiết kế để thử nghiệm phương pháp  triển khai cánh buồm mới trong không  gian,  nó  không  thực  hiện  nhiệm  vụ  “chèo thuyền mặt trời”.

(9) Từ  kinh  nghiệm  cũng  như  kiến  thức đúc rút sau sứ mệnh LightSail  1, tháng 3/2016, Hội Khoa học hành  tinh tiếp tục công bố tàu vũ trụ thứ hai  mang tên LightSail 2. Đây là dự án  đầy ắp đam mê của các nhà khoa học  nhằm chứng minh rằng, chèo thuyền  mặt trời là một kỹ thuật đẩy khả thi  cho tàu vũ trụ. LightSail 2 là một tàu  vũ  trụ  với  đầy  đủ  chức  năng  nhằm  trình diễn khả năng chèo thuyền mặt  trời thực sự.  LightSail 2 trong phòng kiểm tra kỹ thuật.

(10) Thời  khắc  lịch  sử  cũng  đã  đến.  Ngày  23/7/2019,  LightSail  2  được  phóng  thành  công.  Tên  lửa  Falcon  Heavy  của  Tập  đoàn  công  nghệ  thám  hiểm  không  gian  SpaceX  đã  đưa tàu Prox-1 mang theo LightSail  2 lên không gian. Sau đó, LightSail  2 tách khỏi Prox-1 và bay theo quỹ  đạo quanh Trái đất. Như vậy, sau hơn  10  năm  nỗ  lực  nghiên  cứu  với  kinh  phí 7 triệu USD, phi thuyền loại nhỏ  LightSail 2 đã trở thành tàu vũ trụ đầu  tiên bay lên quỹ đạo chỉ nhờ vào sức  mạnh của ánh sáng mặt trời. Tên lửa đẩy Falcon của SpaceX đưa LightSail 2  lên không gian.

(11) Một con tàu vũ trụ cỡ nhỏ LightSail  2 có kích thước bằng một ổ bánh mì  cuối cùng đã tự biến thành một cánh  buồm mặt trời. LightSail 2 đã lên quỹ  đạo được hơn một tháng và lần đầu  tiên trong lịch sử nó đã mở cánh buồm  rộng 32 m 2 , được chế tạo bằng Mylar  NanoSail-D  - một loại polyester nhẹ và mỏng như  tơ nhện, giúp nó có thể tận dụng tốt  động lượng của photon. Khoảng một  tuần tiếp đó, tàu vũ trụ đã tăng quỹ  đạo lên 1,7 km, và lực đẩy có được  nhờ  các  photon  của  ánh  sáng  mặt  trời. Những photon từ ánh sáng mặt  trời phản xạ lên bề mặt cánh buồm  vào tạo ra lực đẩy giúp LightSail 2 di  chuyển.

(12) Thực tế, LightSail 2 đã thành công  trong việc sử dụng nguyên lý lực đẩy  photon. LightSail 2 có sự đột phát về  công nghệ trong việc kiểm soát lực  đẩy  để  thay  đổi  quỹ  đạo  một  cách  hiệu quả. Theo giám đốc dự án Dave  Spencer, LightSail 2 được kiểm soát  tự  động  bằng  các  thuật  toán.  Bằng  cách xoay tàu vũ trụ 90 o  cứ sau 50  phút, phần mềm này có thể thay đổi  hướng của tàu để nó nhận đủ năng  lượng từ Mặt trời cho dù ở bất cứ vị  trí  nào  trong  không  gian.  Trước  đó  Ikaros chỉ có thể xoay được khoảng  4-5 o .

(13) Thuật  toán  ấn  tượng  này  vẫn  đang  được  cập  nhật  và  điều  chỉnh.  Một trong những thách thức lớn nhất  là tinh chỉnh động lượng của tàu vũ  trụ được điều khiển bởi một bánh xe  quay. Bánh xe động lượng này được  sử dụng để thay đổi hướng của tàu.  Khi  cánh  buồm  mặt  trời  tạo  ra  quá  nhiều  lực  đẩy,  cần  có  một  lực  đối  kháng lại để làm chậm tốc độ quay.  Điều này được thực hiện bằng cách  sử dụng các thanh mô men xoắn điện  từ, định hướng tàu vũ trụ sử dụng từ  trường của Trái đất.  

(14) Các  nhà  khoa  học  hiện  khó  dự  đoán chính xác tàu vũ trụ sẽ có thể  nâng quỹ đạo bao nhiêu nữa. Theo  dự đoán, khi lực đẩy mặt trời cộng lại,  nó sẽ giúp tăng quỹ đạo của tàu lên  khoảng 0,5 km mỗi ngày. Đây không  phải là mục tiêu quá xa vời, trên thực  tế, tàu vũ trụ đã tăng thêm khoảng  900 m chỉ trong một ngày.

(15) Những gì mà các sứ mệnh không  gian trên làm được là minh chứng rõ  ràng nhất trong việc sử dụng lực đẩy  ánh sáng cho các sứ mệnh du hành  vũ trụ tương lai. Tất cả không chỉ là  giấc mơ mà đang hiện hữu và hiện  thực hóa trong niềm đam mê không  dứt và sự tiến bộ không ngừng của  các  đột  phá  về  khoa  học  và  công  nghệ vũ trụ.

(16) Việc phát triển tàu vũ trụ sử dụng  lực  đẩy  ánh  sáng  hứa  hẹn  mở  ra  những tiềm năng vô cùng lớn trong  nghiên  cứu  và  thám  hiểm  vũ  trụ.  Điều dễ dàng nhận thấy là ứng dụng  trong  việc  tìm  kiếm  sự  sống  ngoài  hành tinh, theo dõi thời tiết trên Mặt  trời, triển khai hệ thống cảnh báo tiểu  hành  tinh  gần  Trái  đất,  thậm  chí  là  những sứ mệnh thám hiểm không chỉ  giới hạn trong phạm vi hệ Mặt trời mà  còn vươn tới không gian liên sao.

(17) Các  nhà  nghiên  cứu  tin  rằng,  những con tàu tương lai được chế tạo  và bảo vệ bởi những vật liệu có khả  năng chịu được nhiệt độ và bức xạ  cao. Tàu vũ trụ như vậy có thể tiếp  cận rất gần Mặt trời, sau đó chúng sẽ  nhận được một lực đẩy lớn để tạo đà  cho nó di chuyển xa hơn và với tốc  độ cao hơn nhiều vào không gian sâu  thẳm.

(18) Tàu vũ trụ tiểu hành tinh gần Trái  đất (NEA Scout ) của NASA dự kiến  sẽ được phóng vào giữa năm 2020,  là ứng dụng sớm nhất cho công nghệ  lực đẩy ánh sáng này. Những nhiệm  vụ táo bạo có kế hoạch sử dụng cánh  buồm mặt trời là những vệ tinh nhỏ  CubeSat loại 6U, hoặc tàu vũ trụ có  kích  thước  nhỏ  để  thu  thập  dữ  liệu  về các tiểu hành tinh gần Trái đất có  tiềm năng cho các nhiệm vụ nghiên  cứu không gian của con người trong  tương lai.

(19) Trong tương lai, thế hệ tàu vũ trụ  nhỏ mang cánh buồm mặt trời sẽ trở  thành  một  hướng  đi  đầy  tiềm  năng  trong  việc  thực  hiện  các  nhiệm  vụ  thám  hiểm  ngoài  hệ  Mặt  trời.  Các  cánh buồm vừa có chức năng tạo lực  đẩy, vừa đóng vai trò như các tấm  pin  mặt trời  sẽ cung cấp năng lượng cho  các chức năng khác của vệ tinh như  chụp  ảnh  và  liên  lạc  với  mặt  đất...  Khi quay quanh Trái đất, tàu vũ trụ sẽ tăng độ cao nhờ áp lực của bức  xạ mặt trời trên cánh buồm. Các tàu  vũ trụ CubeSate với kích thước nhỏ  gọn, vừa giúp giảm chi phí, vừa linh  động trong nghiên cứu, đồng thời phù  hợp  với  nguyên  lý  sử  dụng  lực  đẩy  ánh sáng nhờ buồm sẽ tạo nên cuộc  cách mạng vô tiền khoáng hậu trong  nghiên cứu không gian

(Nguồn: “Cách mạng trong thám hiểm vũ trụ bằng lực đẩy ánh sáng”, Nguyễn Đức Phường, Tạp chí Khoa học & Công nghệ Việt Nam, số 11, năm 2019)

Những tia sáng đầu tiên rọi chiếu vũ trụ bắt đầu cách đây khoảng bao nhiêu năm?

Hành tinh nào đóng vai trò cung cấp nguồn năng lượng vô giá cho Trái Đất?

Theo văn bản, các nhà khoa học đang nung nấu giấc mơ gì về vũ trụ?

Đoạn (3) của văn bản đã so sánh các  photon của Mặt trời với vật gì?

Năm 1976, nhà thiên văn học nào đã đề cập phương pháp đẩy cho các phi thuyền không gian mới?

Tháng 8/2008, Cơ quan Hàng không nước nào đã công bố một “chiếc thuyền buồm”  vũ  trụ  hình  khối  nhỏ  có tên Nanosail-D?

Tháng  6/2010,  Cơ  quan  Hàng không  vũ  trụ  Nhật  Bản  (JAXA)  đã phóng  thành  công  “du  thuyền  mặt trời” vào  không  gian, du thuyền này có tên?

Những thành công của các sứ mệnh trong không gian ở văn bản trên chứng minh cho điều gì?

Ý chính của bài viết trên là: