Khi chúng ta nói đến khám phá ngoài hệ mặt trời, có thể nhiều người sẽ nghĩ đến việc cần rất nhiều thế hệ con người mới có thể đến được những điểm đến như Alpha Centauri – hệ sao gần nhất với chúng ta. Nhưng điều đó có thể thay đổi nếu một dự án đầy tham vọng mang tên Breakthrough Starshot thành công. Dự án này, ra đời vào năm 2016, hướng tới việc thiết kế những tàu vũ trụ nhỏ, nhẹ và sử dụng năng lượng ánh sáng để đến được Alpha Centauri trong khoảng thời gian chỉ hơn 20 năm.
Nếu dự án này thành công, những chiếc tàu này sẽ vượt xa tốc độ của các tàu vũ trụ nhanh nhất hiện nay, chẳng hạn như các tàu Helios mà NASA và Tây Đức đã hợp tác phát triển vào những năm 1970. Theo các nhà khoa học, những tàu Helios sẽ mất gần 20.000 năm để di chuyển khoảng 4,4 năm ánh sáng (tương đương khoảng 25 triệu km) đến Alpha Centauri. Ngược lại, một tàu vũ trụ nhẹ như Breakthrough Starshot sẽ mở ra cơ hội chưa từng có cho các nhà khoa học trong việc khám phá những vùng xa xôi của vũ trụ, cho phép chụp ảnh cận cảnh các vật thể sao như các hành tinh ngoại vi lần đầu tiên trong lịch sử, như lời của Harry Atwater, Ph.D., giáo sư vật lý ứng dụng và khoa học vật liệu tại Viện Công nghệ California.
Atwater cho biết: “Có rất nhiều nghiên cứu chuyển biến đang diễn ra trong thiên văn học hiện nay với việc sử dụng kính thiên văn lớn để thực hiện các quan sát từ xa các ngôi sao và hành tinh ngoại vi. Nhưng chắc chắn sẽ có những điều mới mà chúng ta có thể học được khi thực sự đến gần chúng.”
Để đi xa trong không gian, bạn cần phải di chuyển nhanh, và để di chuyển nhanh, trọng lượng của tàu vũ trụ phải cực kỳ nhẹ. Một cách để giảm trọng lượng tàu là từ bỏ hoàn toàn nhiên liệu tên lửa và thay thế bằng một loại “nhiên liệu vô hình”: ánh sáng. Để làm điều này, các nhà khoa học trong dự án Breakthrough Starshot đang phát triển một “động cơ photon”. Nếu thành công, thiết bị này sẽ tạo ra một chùm ánh sáng mạnh mẽ có thể đẩy những tàu Starshot vào sâu trong không gian.
Có thể nghe có vẻ vô lý nhưng thật ra, khi được tăng cường đến cường độ đủ cao, chùm laser có thể hoạt động tương tự như gió đẩy một chiếc thuyền buồm. Ánh sáng từ chùm laser gồm các photon, những hạt không có khối lượng mang theo động lực. Khi những photon này va chạm với một tàu vũ trụ đặc biệt gọi là “buồm ánh sáng”, động lực này sẽ tạo ra một lực đẩy. Mục tiêu là tạo ra đủ công suất laser để đẩy tàu vũ trụ trong 10 phút với tốc độ gần 1/5 tốc độ ánh sáng.
Các laser sẽ được đặt trên mặt đất và sẽ chiếm không gian tương đương một trang trại năng lượng mặt trời lớn. Thay vì hấp thụ năng lượng mặt trời, các tấm pin sẽ được lắp đặt nhiều laser với công suất phát ra khoảng 45 watt mỗi chiếc. Hình dung về độ sáng của một chiếc laser, bạn có thể tưởng tượng nó giống như ánh sáng phát ra từ bóng đèn của một chiếc đèn pin nhỏ.
Atwater nhấn mạnh rằng động cơ photon này sẽ không gây nguy hiểm cho những người đi qua mà cũng không tạo ra mối đe dọa nào về an ninh quốc gia. Ông giải thích: “Nếu bạn bay một chiếc máy bay trên vùng đất chứa chùm laser, bạn sẽ cảm thấy cường độ ánh sáng cao hơn một chút so với ánh sáng mặt trời, nhưng không đủ để gây bỏng cho bạn.”
Để đạt được gia tốc mà những tàu này cần để đến được Alpha Centauri trong khoảng 20 năm, mỗi bộ phận của tàu vũ trụ, kể cả buồm ánh sáng và bộ vi xử lý, không được nặng quá 1 gram (để so sánh, một đồng xu có trọng lượng khoảng 2,5 gram). Kích thước buồm mục tiêu khoảng 109 mét vuông, và để giữ trọng lượng nhẹ, buồm cần phải cực kỳ mỏng – khoảng 200 nanomet, mỏng gấp một ngàn lần sợi tóc người.
Việc chế tạo buồm như vậy là một thử thách lớn và có thể rất tốn kém. Nghiên cứu gần đây được công bố trên tạp chí Nature Communications vào tháng 3 năm 2025 cho thấy, Norte và nhóm cộng sự của ông đang tìm cách giải quyết những thách thức này bằng cách sử dụng các kỹ thuật tối ưu hóa AI để thiết kế một buồm ánh sáng có thể sản xuất trong vòng một ngày với chi phí thấp hơn nhiều so với tiêu chuẩn.
Một trong những lợi thế chính của thiết kế mới này là hình dạng của những lỗ nhỏ được khắc trên chính buồm, nhằm tăng cường độ phản xạ và sử dụng ánh sáng hiệu quả. Norte cho biết: “Hai điều chính mà chúng tôi hướng tới là hiệu suất và chi phí, nhưng chúng không nhất thiết phải đi đôi với nhau.” Thiết kế của họ giống như một kỹ thuật lát gạch đã có từ 200 năm trước gọi là lưới ngũ giác. Tất cả những điều này đã giúp cho việc sản xuất buồm nhanh hơn, rẻ hơn mà vẫn đảm bảo hiệu suất.
Mặc dù một động cơ photon hoàn chỉnh vẫn còn khá xa vời, nhưng Atwater cho biết các nhà khoa học đã giải quyết 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 các laser riêng lẻ. Tuy nhiên, việc phóng những tàu này vào không gian giữa các vì sao vẫn là một mục tiêu còn xa vời.
Hiện tại, Norte rất háo hức với những "trạm dừng" mà công nghệ này có thể thực hiện trong quá trình phát triển. Ông chia sẻ: “Với những buồm mà chúng tôi đang chế tạo, chúng tôi có thể mất khoảng 32 giờ để đến được sao Hỏa. Tôi thậm chí còn hứng thú hơn với điều này so với những dự án giữa các vì sao, vì tôi cảm thấy rằng điều này khả thi với những gì chúng ta đang có hiện nay.”
Sarah là một nhà báo về khoa học và công nghệ có trụ sở tại Boston, cô rất quan tâm đến cách mà những đổi mới và nghiên cứu giao thoa với cuộc sống hàng ngày của chúng ta. Cô đã viết cho một số ấn phẩm quốc gia và đưa tin về các tin tức đổi mới tại Inverse.
Nguồn tham khảo: https://www.popularmechanics.com/science/a64968838/laser-powered-lightsail-interstellar-travel/
Nếu dự án này thành công, những chiếc tàu này sẽ vượt xa tốc độ của các tàu vũ trụ nhanh nhất hiện nay, chẳng hạn như các tàu Helios mà NASA và Tây Đức đã hợp tác phát triển vào những năm 1970. Theo các nhà khoa học, những tàu Helios sẽ mất gần 20.000 năm để di chuyển khoảng 4,4 năm ánh sáng (tương đương khoảng 25 triệu km) đến Alpha Centauri. Ngược lại, một tàu vũ trụ nhẹ như Breakthrough Starshot sẽ mở ra cơ hội chưa từng có cho các nhà khoa học trong việc khám phá những vùng xa xôi của vũ trụ, cho phép chụp ảnh cận cảnh các vật thể sao như các hành tinh ngoại vi lần đầu tiên trong lịch sử, như lời của Harry Atwater, Ph.D., giáo sư vật lý ứng dụng và khoa học vật liệu tại Viện Công nghệ California.
Atwater cho biết: “Có rất nhiều nghiên cứu chuyển biến đang diễn ra trong thiên văn học hiện nay với việc sử dụng kính thiên văn lớn để thực hiện các quan sát từ xa các ngôi sao và hành tinh ngoại vi. Nhưng chắc chắn sẽ có những điều mới mà chúng ta có thể học được khi thực sự đến gần chúng.”
Để đi xa trong không gian, bạn cần phải di chuyển nhanh, và để di chuyển nhanh, trọng lượng của tàu vũ trụ phải cực kỳ nhẹ. Một cách để giảm trọng lượng tàu là từ bỏ hoàn toàn nhiên liệu tên lửa và thay thế bằng một loại “nhiên liệu vô hình”: ánh sáng. Để làm điều này, các nhà khoa học trong dự án Breakthrough Starshot đang phát triển một “động cơ photon”. Nếu thành công, thiết bị này sẽ tạo ra một chùm ánh sáng mạnh mẽ có thể đẩy những tàu Starshot vào sâu trong không gian.
Có thể nghe có vẻ vô lý nhưng thật ra, khi được tăng cường đến cường độ đủ cao, chùm laser có thể hoạt động tương tự như gió đẩy một chiếc thuyền buồm. Ánh sáng từ chùm laser gồm các photon, những hạt không có khối lượng mang theo động lực. Khi những photon này va chạm với một tàu vũ trụ đặc biệt gọi là “buồm ánh sáng”, động lực này sẽ tạo ra một lực đẩy. Mục tiêu là tạo ra đủ công suất laser để đẩy tàu vũ trụ trong 10 phút với tốc độ gần 1/5 tốc độ ánh sáng.
Các laser sẽ được đặt trên mặt đất và sẽ chiếm không gian tương đương một trang trại năng lượng mặt trời lớn. Thay vì hấp thụ năng lượng mặt trời, các tấm pin sẽ được lắp đặt nhiều laser với công suất phát ra khoảng 45 watt mỗi chiếc. Hình dung về độ sáng của một chiếc laser, bạn có thể tưởng tượng nó giống như ánh sáng phát ra từ bóng đèn của một chiếc đèn pin nhỏ.
Atwater nhấn mạnh rằng động cơ photon này sẽ không gây nguy hiểm cho những người đi qua mà cũng không tạo ra mối đe dọa nào về an ninh quốc gia. Ông giải thích: “Nếu bạn bay một chiếc máy bay trên vùng đất chứa chùm laser, bạn sẽ cảm thấy cường độ ánh sáng cao hơn một chút so với ánh sáng mặt trời, nhưng không đủ để gây bỏng cho bạn.”
Để đạt được gia tốc mà những tàu này cần để đến được Alpha Centauri trong khoảng 20 năm, mỗi bộ phận của tàu vũ trụ, kể cả buồm ánh sáng và bộ vi xử lý, không được nặng quá 1 gram (để so sánh, một đồng xu có trọng lượng khoảng 2,5 gram). Kích thước buồm mục tiêu khoảng 109 mét vuông, và để giữ trọng lượng nhẹ, buồm cần phải cực kỳ mỏng – khoảng 200 nanomet, mỏng gấp một ngàn lần sợi tóc người.
Việc chế tạo buồm như vậy là một thử thách lớn và có thể rất tốn kém. Nghiên cứu gần đây được công bố trên tạp chí Nature Communications vào tháng 3 năm 2025 cho thấy, Norte và nhóm cộng sự của ông đang tìm cách giải quyết những thách thức này bằng cách sử dụng các kỹ thuật tối ưu hóa AI để thiết kế một buồm ánh sáng có thể sản xuất trong vòng một ngày với chi phí thấp hơn nhiều so với tiêu chuẩn.
Một trong những lợi thế chính của thiết kế mới này là hình dạng của những lỗ nhỏ được khắc trên chính buồm, nhằm tăng cường độ phản xạ và sử dụng ánh sáng hiệu quả. Norte cho biết: “Hai điều chính mà chúng tôi hướng tới là hiệu suất và chi phí, nhưng chúng không nhất thiết phải đi đôi với nhau.” Thiết kế của họ giống như một kỹ thuật lát gạch đã có từ 200 năm trước gọi là lưới ngũ giác. Tất cả những điều này đã giúp cho việc sản xuất buồm nhanh hơn, rẻ hơn mà vẫn đảm bảo hiệu suất.
Mặc dù một động cơ photon hoàn chỉnh vẫn còn khá xa vời, nhưng Atwater cho biết các nhà khoa học đã giải quyết 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 các laser riêng lẻ. Tuy nhiên, việc phóng những tàu này vào không gian giữa các vì sao vẫn là một mục tiêu còn xa vời.
Hiện tại, Norte rất háo hức với những "trạm dừng" mà công nghệ này có thể thực hiện trong quá trình phát triển. Ông chia sẻ: “Với những buồm mà chúng tôi đang chế tạo, chúng tôi có thể mất khoảng 32 giờ để đến được sao Hỏa. Tôi thậm chí còn hứng thú hơn với điều này so với những dự án giữa các vì sao, vì tôi cảm thấy rằng điều này khả thi với những gì chúng ta đang có hiện nay.”
Sarah là một nhà báo về khoa học và công nghệ có trụ sở tại Boston, cô rất quan tâm đến cách mà những đổi mới và nghiên cứu giao thoa với cuộc sống hàng ngày của chúng ta. Cô đã viết cho một số ấn phẩm quốc gia và đưa tin về các tin tức đổi mới tại Inverse.
Nguồn tham khảo: https://www.popularmechanics.com/science/a64968838/laser-powered-lightsail-interstellar-travel/
