Động Cơ Graphene Chạy Bằng Laser: Bước Nhảy Vọt Của Công Nghệ Đẩy Không Nhiên Liệu

Trong cuộc đua chinh phục không gian, rào cản lớn nhất chưa bao giờ là khoảng cách, mà chính là khối lượng. Việc phải mang theo hàng tấn nhiên liệu hóa học chỉ để điều chỉnh những thay đổi nhỏ về quỹ đạo đã hạn chế đáng kể tầm xa và tuổi thọ của các thiết bị vũ trụ. Tuy nhiên, một nghiên cứu mới đây từ Cơ quan Vũ trụ Châu Âu (ESA) phối hợp cùng các đại học quốc tế đã mở ra một chương mới: Sử dụng ánh sáng laser để đẩy vật chất đi đi trong không gian.

Ảnh minh họa: cánh bườm không gian di chuyển bằng Laser.

Cú nhảy vọt trong 30 mili giây

Hãy tưởng tượng một khối lập phương nhỏ màu đen, nhẹ đến mức gần như không trọng lượng, đột ngột lao vọt đi ngay khi một tia laser vừa chạm vào. Trong các chuyến bay parabol mô phỏng môi trường vi trọng lực vào tháng 5/2025, vật liệu Graphene Aerogel đã chứng minh một khả năng kinh ngạc: Biến ánh sáng thành động năng với gia tốc cực lớn chỉ trong vòng 30 mili giây – nhanh hơn cả một cú chớp mắt của con người.

Marco Braibanti, nhà khoa học dự án của ESA, nhận định: "Phản ứng diễn ra nhanh và mạnh mẽ. Trước khi bạn kịp nhận ra, vật liệu đã trải qua một quá trình gia tốc khổng lồ."

Graphene Aerogel: "Linh hồn" của động cơ quang học

Graphene vốn được mệnh danh là vật liệu của tương lai nhờ cấu trúc nguyên tử carbon sắp xếp theo mô hình tổ ong siêu bền. Khi được chế tạo dưới dạng Aerogel – một mạng lưới xốp ba chiều siêu nhẹ – nó trở thành ứng viên hoàn hảo cho hệ thống đẩy bằng ánh sáng.

Nghiên cứu đã thử nghiệm ba biến thể mật độ khác nhau: AG-10, AG-15 và AG-20. Kết quả cho thấy một nghịch lý thú vị: Không phải cứ nhẹ nhất là tốt nhất. Loại AG-15 (mật độ trung bình) lại mang lại lực đẩy cực đại cao nhất và phản ứng gia tốc mạnh mẽ nhất, đạt tới 102 m/s² trong môi trường vi trọng lực. Điều này cho thấy hiệu suất phụ thuộc chặt chẽ vào cấu trúc lỗ xốp và cách vật liệu tương tác với nhiệt, chứ không đơn thuần là khối lượng.

Sự khác biệt giữa Trái Đất và Không Gian

Thí nghiệm đã làm nổi bật tầm quan trọng của môi trường vi trọng lực đối với công nghệ này. Khi loại bỏ được lực cản và trọng trường, hiệu quả của lực đẩy laser tăng lên gấp hàng chục lần:

Sự khác biệt về hiệu suất của hệ thống đẩy graphene giữa môi trường Trái Đất và không gian là vô cùng ấn tượng. Cụ thể, trong khi lực đẩy cực đại tại môi trường trọng lực 1g chỉ đạt khoảng 11 micronewton, thì trong môi trường vi trọng lực, con số này đã vọt lên tới 600 micronewton, tức là gấp hơn 50 lần. Tương tự, vận tốc tối đa cũng ghi nhận cú nhảy vọt từ mức 0,06 m/s lên đến 1,7 m/s khi hoạt động ngoài không gian. Đặc biệt nhất là về gia tốc, nếu ở Trái Đất phản ứng diễn ra chậm và yếu thì trong môi trường vi trọng lực, hệ thống đạt gia tốc cực nhanh, cho phép vật liệu chạm đỉnh hiệu suất sớm hơn đến 75% so với bình thường.

Cơ chế đằng sau phép màu

Tại sao ánh sáng lại có thể đẩy được một vật thể rắn? Các nhà khoa học giải thích rằng đây là sự kết hợp của hai hiệu ứng vật lý:

• Chênh lệch áp suất nhiệt: Khi laser chiếu vào, bề mặt phía trước của Aerogel nóng lên cực nhanh trong khi phần lõi vẫn mát. Sự chênh lệch này thúc đẩy các phân tử khí bên trong mạng lưới xốp di chuyển, tạo ra áp suất đẩy vật liệu đi.
• Lực quang điện: Sự gia nhiệt không đối xứng trên bề mặt ngoài tạo ra một phản lực đẩy trực tiếp dưới tác động của các photon.

Điểm đặc biệt nhất là khả năng điều chỉnh. Laser càng mạnh, gia tốc càng lớn. Điều này cho phép các kỹ sư kiểm soát chuyển động của tàu vũ trụ một cách chính xác tuyệt đối thông qua việc thay đổi công suất nguồn sáng.

Tầm nhìn về một tương lai "không nhiên liệu"

Dù vẫn đang ở giai đoạn thử nghiệm (với các rào cản về độ ổn định của dữ liệu và hướng đặt mẫu), nhưng hướng đi này là vô cùng hứa hẹn cho các sứ mệnh tương lai:

• Vệ tinh siêu nhỏ (CubeSats): Thay vì mang theo hệ thống đẩy phức tạp, các vệ tinh có thể được điều chỉnh vị trí bằng laser từ các trạm gốc.
• Cánh buồm mặt trời thế hệ mới: Sử dụng vật liệu Graphene để tối ưu hóa việc thu thập năng lượng ánh sáng.
• Tiết kiệm chi phí: Loại bỏ hàng trăm kilogam nhiên liệu giúp giảm chi phí phóng và dành không gian cho các thiết bị khoa học tối tân.
• Ugo Lafont, kỹ sư tại ESA, chia sẻ: "Chúng tôi đang mở đường cho một tương lai đẩy không cần nhiên liệu. Graphene Aerogel là ví dụ hoàn hảo về việc vật liệu tiên tiến có thể giúp chúng ta tiết kiệm tài nguyên và thiết bị trong không gian."

Kết quả nghiên cứu này đã chính thức được đăng tải trên tạp chí danh giá Advanced Science, đánh dấu một cột mốc mới trong nỗ lực đưa nhân loại đi xa hơn vào vũ trụ bằng những phương thức bền vững và thông minh hơn.

Thế Anh.

Nguồn tổng hợp: ESA, Advanced Science, The Brighter Side of News.