Để du hành ra ngoài hệ mặt trời của chúng ta, đến những điểm đến như Alpha Centauri - hệ sao gần nhất, hiện tại, công nghệ vẫn phải mất nhiều thế hệ con người để thực hiện. Nhưng sẽ thế nào nếu điều này có thể được hoàn thành chỉ trong một phần nhỏ của một đời người? Đó chính là giấc mơ của dự án Starshot thuộc Breakthrough Initiatives. Dự án này được khởi động vào năm 2016 với mục tiêu thiết kế những tàu vũ trụ nhỏ, nhẹ và được điều khiển bởi ánh sáng, có thể đến Alpha Centauri trong khoảng thời gian chỉ hơn 20 năm.
Nếu loại tàu này trở thành hiện thực, nó sẽ vượt qua tốc độ của những tàu vũ trụ nhanh nhất hiện nay, chẳng hạn như các probe Helios mà NASA và Tây Đức đã hợp tác phát triển vào thập niên 1970. Các probe này ước tính sẽ mất gần 20.000 năm để di chuyển 4,4 năm ánh sáng (khoảng 25 triệu km) tới Alpha Centauri. Tuy nhiên, một probe nhẹ mới sẽ mang lại cho các nhà khoa học cơ hội chưa từng có để tiếp cận những vùng xa xôi nhất của không gian, cho phép chụp hình cận cảnh các đối tượng thiên văn như các hành tinh ngoài hệ mặt trời lần đầu tiên trong lịch sử. Harry Atwater, Tiến sĩ, giáo sư ngành vật lý ứng dụng và khoa học vật liệu tại Viện Công nghệ California cho biết: “Có rất nhiều công việc chuyển đổi đang diễn ra trong ngành thiên văn học hiện nay nhờ vào các kính viễn vọng lớn để quan sát từ xa các ngôi sao và các hành tinh ngoài hệ mặt trời. Nhưng chắc chắn vẫn có những điều mới mà chúng ta có thể học hỏi nếu thực sự đến gần chúng.”
Để có thể di chuyển xa trong không gian, bạn cần di chuyển nhanh; và để di chuyển nhanh, bạn cần phải nhẹ. Một cách để giảm trọng lượng cho tàu vũ trụ là từ bỏ hoàn toàn nhiên liệu roket và thay vào đó là sử dụng một loại nhiên liệu vô trọng lượng: ánh sáng. Các nhà khoa học tham gia dự án Starshot đang nỗ lực phát triển một loại "động cơ photon". Nếu thành công, thiết bị này sẽ tạo ra một chùm ánh sáng mạnh mẽ có thể đẩy một đàn tàu Starshot vào không gian sâu. Nghe có vẻ khó tin, vì ánh sáng từ một chiếc đèn pin thông thường không thể đẩy một chiếc lông vũ, chứ đừng nói đến một con tàu vũ trụ. Nhưng khi được tăng cường đến cường độ cao, một chùm laser có thể hoạt động tương tự như gió đẩy con thuyền buồm qua mặt nước.
Điều này xảy ra vì một chùm ánh sáng bao gồm các photon, những hạt cơ bản vô trọng lượng mang theo động lượng - đơn giản là những hạt nhỏ nhất của ánh sáng. Khi những photon này va chạm với một loại tàu vũ trụ đặc biệt, gọi là "bánh lá", động lượng này được cảm nhận như một cú đẩy. Mục tiêu của động cơ photon là tập trung đủ công suất laser để tạo ra một cú đẩy liên tục cho tàu vũ trụ trong vòng 10 phút, đủ mạnh để tăng tốc nó tới một phần năm tốc độ ánh sáng.
Theo Atwater, những chiếc laser này sẽ được đặt trên mặt đất và chiếm một không gian tương đương với một trang trại năng lượng mặt trời lớn. Thay vì hấp thụ năng lượng mặt trời, các tấm pin sẽ gồm nhiều laser có khả năng phát ra 45 watt mỗi chiếc. Để hình dung về mức độ sáng của một laser đơn lẻ, hãy tưởng tượng độ sáng của một bóng đèn tỏa ra từ đầu của một chiếc đèn laser nhỏ, Atwater cho biết. Ông cũng nhấn mạnh rằng động cơ photon này sẽ không gây nguy hiểm cho những người xung quanh hay tạo ra mối đe dọa an ninh quốc gia dưới hình thức vũ khí.
“Nếu bạn bay trên một chiếc máy bay ở trên khu vực này trong bầu khí quyển Trái đất, bạn sẽ cảm nhận được một cường độ ánh sáng cao hơn khoảng vài lần so với ánh sáng mặt trời, nhưng không đủ để gây bỏng,” Atwater cho hay. “Cường độ rất cao tại điểm mà các laser được tập trung, nhưng không tập trung trong bầu khí quyển Trái đất.” Để đạt được kiểu tăng tốc mà những chiếc tàu này cần để đến được đích liên sao như Alpha Centauri trong khoảng 20 năm, chúng không chỉ cần một nguồn năng lượng mạnh mẽ như chùm laser tăng cường mà còn phải nặng không quá 1 gram cho mỗi thành phần - bao gồm cả bánh lá và một vi mạch. (Để so sánh, một đồng xu nặng 2,5 gram).
Kích thước mục tiêu cho bánh lá là khoảng 10 mét vuông, vì vậy nó phải rất mỏng để giữ trọng lượng thấp, Richard Norte, Tiến sĩ, phó giáo sư kỹ thuật vi hệ thống tại Đại học Công nghệ Delft cho biết. Ở đây, bánh lá chỉ mỏng khoảng 200 nanomet, tức là mỏng gấp một ngàn lần so với một sợi tóc người. Việc xây dựng những chiếc bánh lá như vậy quả thực là một nhiệm vụ đầy thử thách và tốn kém về thời gian. Trong một nghiên cứu gần đây được công bố trên tạp chí Nature Communications vào tháng 3 năm 2025, Norte và các cộng sự của ông đang tìm cách giải quyết các vấn đề này. Để làm được điều đó, nhóm đã áp dụng các kỹ thuật tối ưu hóa AI để thiết kế một bánh lá có khả năng mở rộng và có thể được sản xuất chỉ trong một ngày với chi phí chỉ bằng một phần nhỏ so với tiêu chuẩn.
Một lợi thế chính của thiết kế mới này là hình dạng của những lỗ nhỏ được khắc vào trong bánh lá, Norte cho biết. Những lỗ này nhằm tăng cường khả năng phản xạ và sử dụng hiệu quả ánh sáng. “Hai yếu tố chính mà chúng tôi hướng tới, hiệu suất và chi phí, không nhất thiết phải đi đôi với nhau,” Norte cho biết. “Đây là lúc mà thuật toán máy học phải đưa ra các quyết định về việc phải làm gì, và những gì nó đưa ra là một hình dạng trông giống như mấy củ khoai tây.” Hình dạng này ban đầu khiến ông cảm thấy bối rối, nhưng sau đó Norte và đội nghiên cứu nhận ra rằng nó bắt chước một kỹ thuật lát gạch có từ 200 năm trước gọi là lưới ngũ giác. Tóm lại, thiết kế này đã giúp sản xuất các bánh lá nhanh chóng và tiết kiệm hơn mà không làm giảm hiệu suất nhiều.
Sau gần một thập kỷ làm việc, một động cơ photon hoàn chỉnh vẫn còn xa vời, nhưng Atwater cho biết các nhà khoa học đã khắc phục hầu hết các vấn đề kỹ thuật. Trong khi đó, phòng thí nghiệm Hamamatsu Photonics tại Nhật Bản đang thử nghiệm các nguyên mẫu của từng chiếc laser. Tuy nhiên, việc đưa những chiếc tàu này vào không gian liên sao vẫn là một mục tiêu xa vời. Hiện tại, Norte đang háo hức với những điểm dừng chân địa phương mà công nghệ này có thể tạo ra trên con đường đi tới. “Với các bánh lá mà chúng tôi đang làm, có thể mất khoảng 32 giờ để đến được sao Hỏa,” ông nói. “Tôi thậm chí còn cảm thấy hào hứng hơn với điều này so với những vấn đề liên sao, vì tôi cảm thấy điều này khả thi với những gì chúng ta có ngày hôm nay.”
Nguồn tham khảo: https://www.popularmechanics.com/science/a64968838/laser-powered-lightsail-interstellar-travel/
Nếu loại tàu này trở thành hiện thực, nó sẽ vượt qua tốc độ của những tàu vũ trụ nhanh nhất hiện nay, chẳng hạn như các probe Helios mà NASA và Tây Đức đã hợp tác phát triển vào thập niên 1970. Các probe này ước tính sẽ mất gần 20.000 năm để di chuyển 4,4 năm ánh sáng (khoảng 25 triệu km) tới Alpha Centauri. Tuy nhiên, một probe nhẹ mới sẽ mang lại cho các nhà khoa học cơ hội chưa từng có để tiếp cận những vùng xa xôi nhất của không gian, cho phép chụp hình cận cảnh các đối tượng thiên văn như các hành tinh ngoài hệ mặt trời lần đầu tiên trong lịch sử. Harry Atwater, Tiến sĩ, giáo sư ngành vật lý ứng dụng và khoa học vật liệu tại Viện Công nghệ California cho biết: “Có rất nhiều công việc chuyển đổi đang diễn ra trong ngành thiên văn học hiện nay nhờ vào các kính viễn vọng lớn để quan sát từ xa các ngôi sao và các hành tinh ngoài hệ mặt trời. Nhưng chắc chắn vẫn có những điều mới mà chúng ta có thể học hỏi nếu thực sự đến gần chúng.”
Để có thể di chuyển xa trong không gian, bạn cần di chuyển nhanh; và để di chuyển nhanh, bạn cần phải nhẹ. Một cách để giảm trọng lượng cho tàu vũ trụ là từ bỏ hoàn toàn nhiên liệu roket và thay vào đó là sử dụng một loại nhiên liệu vô trọng lượng: ánh sáng. Các nhà khoa học tham gia dự án Starshot đang nỗ lực phát triển một loại "động cơ photon". Nếu thành công, thiết bị này sẽ tạo ra một chùm ánh sáng mạnh mẽ có thể đẩy một đàn tàu Starshot vào không gian sâu. Nghe có vẻ khó tin, vì ánh sáng từ một chiếc đèn pin thông thường không thể đẩy một chiếc lông vũ, chứ đừng nói đến một con tàu vũ trụ. Nhưng khi được tăng cường đến cường độ cao, một chùm laser có thể hoạt động tương tự như gió đẩy con thuyền buồm qua mặt nước.
Điều này xảy ra vì một chùm ánh sáng bao gồm các photon, những hạt cơ bản vô trọng lượng mang theo động lượng - đơn giản là những hạt nhỏ nhất của ánh sáng. Khi những photon này va chạm với một loại tàu vũ trụ đặc biệt, gọi là "bánh lá", động lượng này được cảm nhận như một cú đẩy. Mục tiêu của động cơ photon là tập trung đủ công suất laser để tạo ra một cú đẩy liên tục cho tàu vũ trụ trong vòng 10 phút, đủ mạnh để tăng tốc nó tới một phần năm tốc độ ánh sáng.
Theo Atwater, những chiếc laser này sẽ được đặt trên mặt đất và chiếm một không gian tương đương với một trang trại năng lượng mặt trời lớn. Thay vì hấp thụ năng lượng mặt trời, các tấm pin sẽ gồm nhiều laser có khả năng phát ra 45 watt mỗi chiếc. Để hình dung về mức độ sáng của một laser đơn lẻ, hãy tưởng tượng độ sáng của một bóng đèn tỏa ra từ đầu của một chiếc đèn laser nhỏ, Atwater cho biết. Ông cũng nhấn mạnh rằng động cơ photon này sẽ không gây nguy hiểm cho những người xung quanh hay tạo ra mối đe dọa an ninh quốc gia dưới hình thức vũ khí.
“Nếu bạn bay trên một chiếc máy bay ở trên khu vực này trong bầu khí quyển Trái đất, bạn sẽ cảm nhận được một cường độ ánh sáng cao hơn khoảng vài lần so với ánh sáng mặt trời, nhưng không đủ để gây bỏng,” Atwater cho hay. “Cường độ rất cao tại điểm mà các laser được tập trung, nhưng không tập trung trong bầu khí quyển Trái đất.” Để đạt được kiểu tăng tốc mà những chiếc tàu này cần để đến được đích liên sao như Alpha Centauri trong khoảng 20 năm, chúng không chỉ cần một nguồn năng lượng mạnh mẽ như chùm laser tăng cường mà còn phải nặng không quá 1 gram cho mỗi thành phần - bao gồm cả bánh lá và một vi mạch. (Để so sánh, một đồng xu nặng 2,5 gram).
Kích thước mục tiêu cho bánh lá là khoảng 10 mét vuông, vì vậy nó phải rất mỏng để giữ trọng lượng thấp, Richard Norte, Tiến sĩ, phó giáo sư kỹ thuật vi hệ thống tại Đại học Công nghệ Delft cho biết. Ở đây, bánh lá chỉ mỏng khoảng 200 nanomet, tức là mỏng gấp một ngàn lần so với một sợi tóc người. Việc xây dựng những chiếc bánh lá như vậy quả thực là một nhiệm vụ đầy thử thách và tốn kém về thời gian. Trong một nghiên cứu gần đây được công bố trên tạp chí Nature Communications vào tháng 3 năm 2025, Norte và các cộng sự của ông đang tìm cách giải quyết các vấn đề này. Để làm được điều đó, nhóm đã áp dụng các kỹ thuật tối ưu hóa AI để thiết kế một bánh lá có khả năng mở rộng và có thể được sản xuất chỉ trong một ngày với chi phí chỉ bằng một phần nhỏ so với tiêu chuẩn.
Một lợi thế chính của thiết kế mới này là hình dạng của những lỗ nhỏ được khắc vào trong bánh lá, Norte cho biết. Những lỗ này nhằm tăng cường khả năng phản xạ và sử dụng hiệu quả ánh sáng. “Hai yếu tố chính mà chúng tôi hướng tới, hiệu suất và chi phí, không nhất thiết phải đi đôi với nhau,” Norte cho biết. “Đây là lúc mà thuật toán máy học phải đưa ra các quyết định về việc phải làm gì, và những gì nó đưa ra là một hình dạng trông giống như mấy củ khoai tây.” Hình dạng này ban đầu khiến ông cảm thấy bối rối, nhưng sau đó Norte và đội nghiên cứu nhận ra rằng nó bắt chước một kỹ thuật lát gạch có từ 200 năm trước gọi là lưới ngũ giác. Tóm lại, thiết kế này đã giúp sản xuất các bánh lá nhanh chóng và tiết kiệm hơn mà không làm giảm hiệu suất nhiều.
Sau gần một thập kỷ làm việc, một động cơ photon hoàn chỉnh vẫn còn xa vời, nhưng Atwater cho biết các nhà khoa học đã khắc phục hầu hết các vấn đề kỹ thuật. Trong khi đó, phòng thí nghiệm Hamamatsu Photonics tại Nhật Bản đang thử nghiệm các nguyên mẫu của từng chiếc laser. Tuy nhiên, việc đưa những chiếc tàu này vào không gian liên sao vẫn là một mục tiêu xa vời. Hiện tại, Norte đang háo hức với những điểm dừng chân địa phương mà công nghệ này có thể tạo ra trên con đường đi tới. “Với các bánh lá mà chúng tôi đang làm, có thể mất khoảng 32 giờ để đến được sao Hỏa,” ông nói. “Tôi thậm chí còn cảm thấy hào hứng hơn với điều này so với những vấn đề liên sao, vì tôi cảm thấy điều này khả thi với những gì chúng ta có ngày hôm nay.”
Nguồn tham khảo: https://www.popularmechanics.com/science/a64968838/laser-powered-lightsail-interstellar-travel/
