Con tàu vũ trụ muốn đi xa và đi nhanh thì cần phải có rất nhiều nhiên liệu. Mà nhiên liệu đem từ dưới đất lên thì tốn kém và không đem được nhiều. Do đó, buồm mặt trời (solar sail) sẽ ra đời.
Buồm mặt trời là một kỹ thuật đang được nghiên cứu và phát triển trong ngành không gian để làm lực đẩy các con tàu vũ trụ đi xa và nhanh chỉ dùng ánh sáng mặt trời mà không cần thêm nhiên liệu nào khác.
Buồm mặt trời hoạt động ra sao?
Vì phải đưa từ dưới mặt đất lên không trung nên buồm mặt trời được làm bằng những vật liệu rất nhẹ, như mylar hay polyimide và có tráng một lớp kim loại phản chiếu. Khi phóng lên từ hỏa tiễn thì buồm mặt trời được gấp lại gọn gàng. Đến khi ra ngoài không gian thì mới được làm bung ra lớn để đón ánh sáng mặt trời.
Ánh sáng gồm những phân tử gọi là quang tử (photon). Quang tử không có khối lượng, nhưng khi bay trong vũ trụ quang tử có mô men (momentum). Khi quang tử chạm vào buồm mặt trời thì chuyển mô men qua buồm mặt trời và tạo ra một sức đẩy rất nhỏ. Khi quang tử dội ngược trở lại thì lại tạo ra một sức đẩy nhỏ khác. Hai lực đẩy nầy rất nhỏ nhưng ngoài vũ trụ không có sức cản không khí nên lực đẩy làm tăng vận tốc của buồm mặt trời. Hơn nữa tuy nhỏ nhưng liên tục ngày đêm nên dần dần buồm mặt trời có tốc độ rất cao. Buồm mặt trời có thể đạt tới vận tốc 90 km/giây (324,000 km/giờ). Tàu con thoi (space shuttle) chỉ có vận tốc cỡ 8 km/giây.
Buồm mặt trời có thay đổi hướng bay không? Cũng giống như một cánh buồm của thuyền, buồm mặt trời có thể thay đổi hướng bay bằng cách thay đổi góc của buồm với ánh sáng mặt trời.
Buồm mặt trời có thể lớn cỡ nào? Trên nguyên tắc thì buồm mặt trời càng lớn thì càng có thêm sức đẩy. Vào thập niên 1979 một nghiên cứu của NASA có đề nghị một buồm mặt trời lớn tới 600,000 mét vuông. Lớn như vậy thì có thể dùng để đẩy một con thuyền vũ trụ lớn có người. Nhưng đó chỉ là đề nghị lý thuyết, vấn đề nan giải là làm sao đem lên không trung một cánh buồm lớn như vậy. Hiện nay buồm mặt trời lớn nhất là IKAROS của Nhật Bản có diện tích 196 mét vuông.
Lịch sử và diễn tiến của buồm mặt trời
Vào đầu thế kỷ thứ 17 nhà thiên văn học nổi tiếng Johannes Kepler quan sát sao chổi và để ý là đuôi sao chổi trải dài và hơi cong trên vòm trời. Ông ta tự hỏi lực nào làm như vậy và nghĩ rằng ánh sáng mặt trời đã làm nóng sao chổi và làm các vật chất thoát ra khỏi mặt sao chổi thành đuôi sao chổi. Hiện tượng ánh sáng mặt trời có tác động đến các thiên thể khiến cho ông Kepler có ý kiến là dùng ánh sáng mặt trời để đi khám phá vũ trụ cũng giống như thuyền buồm dùng sức gió để đi trên sông biển.
Các nhà văn chuyên về khoa học giả tưởng cũng đề cập tới việc dùng ánh sáng mặt trời để di chuyển trong vũ trụ, ông Jules Vern với cuốn truyện “Từ Trái Đất tới Mặt trăng” vào năm 1865 và ông Arthur Clarke với truyện ngắn “Sunjammer” vào năm 1964. Chính ông Clarke đã đặt ra chữ “solar sail.”
Vào thế kỷ thứ 19 nhà khoa học James Clerk Maxwell phát triển thuyết điện từ trường (electromagnetic field) và bức xạ (radiation). Lý thuyết đó cho thấy là ánh sáng có mô men và như vậy có áp đặt một lực lên các vật thể.
Vào đầu thế kỷ thứ 20 hai nhà khoa học người Nga Konstantin Tsiolkovsky and Friedrick Tsander đưa ra ý tưởng là dùng áp lực của ánh sáng mặt trời trên một kính phản chiếu thật mỏng để đẩy con tàu vũ trụ.
Nhật Bản là quốc gia đầu tiên đã thử nghiệm buồm mặt trời thành công. Năm 2010 con tàu vũ trụ liên hành tinh IKAROS của Nhật đã dùng buồm mặt trời để bay đi dò thám sao Kim (Venus). Năm tháng sau Hoa Kỳ cũng phóng một buồm mặt trời gọi là NanoSail-D lên không trung và bay vòng quanh trái đất.
Năm 2011 NASA ký một hợp đồng tài trợ cho công ty L’Garde ở California để phát triển buồm mặt trời, có tên là Sunjammer, nhưng sau bốn năm và đốt hết 21 triệu Đô La, NASA đã không tài trợ thêm cho dự án đó nữa.
Hiện nay ở Hoa Kỳ có tổ chức vô vụ lợi The Planetary Society (Hội Đoàn Hành Tinh) cổ võ việc dùng buồm mặt trời cho con tàu vũ trụ. Năm 2015 Hội Đoàn Hành Tinh đã phóng thành công LightSail 1 để thử nghiệm buồm mặt trời. Tháng Sáu vừa qua hội đã phóng lên LightSail 2 và đã nâng cao quỹ đạo của LightSail 2 bằng buồm mặt trời. Điều đó chứng tỏ là buồm mặt trời đã hoạt động như dự tính.
Ưu và khuyết điểm của buồm mặt trời
Con tàu vũ trụ bình thường phải dùng nhiên liệu để đẩy đi, nhưng nhiên liệu thì có hạn, trong khi đó thì buồm mặt trời không dùng nhiên liệu nào khác hơn là ánh sáng mặt trời nên không hết nhiên liệu nếu còn thấy ánh sáng mặt trời. Con tàu vũ trụ dùng buồm mặt trời tốc độ tăng lên chậm nhưng dần dần sẽ có tốc độ lớn hơn là dùng nhiên liệu hóa học.
Một yếu điểm của buồm mặt trời là sức đẩy rất nhỏ nên cần thời gian để có tốc độ lớn. Hơn nữa con tàu vũ trụ dùng buồm mặt trời thì khi ra ngoài tầm ảnh hưởng của mặt trời sẽ không còn sức đẩy của ánh sáng mặt trời nữa. Lúc đó phải dùng những phương pháp khác.
Áp dụng của buồm mặt trời
Áp dụng đầu tiên của buồm mặt trời là đi chu du trong thái dương hệ. Buồm mặt trời dùng tốt nhất cho những con tàu vũ trụ nhỏ và có nhiều thời gian, thí dụ tàu đi thám hiểm những tiểu hành tinh (asteroid). NASA có chương trình gọi là Near-Earth Asteroid Scout (tàu dò thám tiểu hành tinh gần trái đất), viết tắt là NEA Scout. Tàu dò thám này có kích thước rất nhỏ, và nhẹ. Một tàu dò thám NEA được dùng để dò thám tiểu hành tình có tên là 1991 VG. Phải mất tới hai năm rưỡi tàu mới tới đích.
Buồm mặt trời cũng có thể dùng để thay đổi quỹ đạo của vệ tinh bay quanh mặt trời. Dùng buồm mặt trời làm tăng tốc độ thì quỹ đạo sẽ lớn hơn. Ngược lại dùng buồm mặt trời làm giảm tốc độ thì quỹ đạo sẽ nhỏ hơn.
Buồm mặt trời trong tương lai
Kỹ thuật buồm mặt trời mới chỉ là trong giai đoạn khởi đầu, còn có rất nhiều những khó khăn về kỹ thuật cần phải vượt qua trước khi trở nên thông dụng. Một trong những khó khăn là làm sao đem lên không trung một buồm lớn như một sân vận động. Một khi đem được lên thì thay đổi góc cạnh đối với ánh sáng mặt trời để đổi hướng đi của con tàu vũ trụ cũng là một vấn đề khó khăn.
Mới đây NASA tài trợ cho một dự án ở đại học Rochester Institute of Technology để cải tiến buồm mặt trời. Buồm mặt trời mới dùng sự nhiễu xạ (diffraction) thay vì sự phản chiếu (reflective). Tác giả dự án này, Giáo Sư Grover Swartzlander, tuyên bố là buồm mới sẽ hữu hiệu hơn buồm cũ, do đó diện tích buồm mới có thể được thu nhỏ lại. Buồm mới cũng dễ điều khiển hơn.
Cũng trong vòng nghiên cứu là việc dùng tia lade (laser) thay vì ánh sáng mặt trời để đẩy buồm đi. Dùng tia lade thì có thể chu du ngoài thái dương hệ và đi thám hiểm tới Alpha Centauri, hệ thống sao gần nhất. (Hà Dương Cự)
Nguồn tài liệu: www.planetary.org, www.nasa.gov, www.space.com