Buồm điện hay buồm ánh sáng?

Trong thập niên vừa qua, các nhà khoa học đã tìm thấy hàng nghìn hành tinh bên ngoài Hệ Mặt Trời của chúng ta. Điều này gây nên niềm hứng khởi trở lại với việc thám hiểm không gian, trong đó có khả năng đưa phi thuyền vũ trụ đến khám phá các ngoại hành tinh. Biết rằng sẽ có nhiều thách thức, song một số khái niệm cấp tiến nay đang được khám phá, ví như khái niệm buồm ánh sáng được yêu thích lâu nay.

Tuy nhiên, trong những năm gần đây, các nhà khoa học đã đề xuất một khái niệm có khả năng còn hiệu quả hơn gọi là buồm điện, trong đó một cánh buồm được làm bằng khung lưới dây dẫn sẽ tạo ra điện tích làm lệch hướng các hạt gió mặt trời, nhờ đó tạo ra động lượng. Trong một nghiên cứu mới đây, hai nhà khoa học Harvard đã so sánh và đối chiếu các phương pháp này để làm rõ xem phương pháp nào có lợi thế hơn đối với những kiểu sứ mệnh nhất định.

Nghiên cứu mới xuất hiện trên mạng và đang được đánh giá để công bố bởi tạp chí Acta Astronautica. Nghiên cứu được tiến hành bởi Manasavi Lingam và Abraham Loeb, một giáo sư trợ giảng tại Đại học Công nghệ Florida (FIT), và Frank B. Baird – giáo sư khoa học tại Đại học Harvard và là Giám đốc Viện Lí thuyết và Điện toán (ITC).

Dự án Starshot, một sáng kiến được tài trợ của Quỹ Đột phá, dự kiến sẽ là chuyến đi giữa các sao đầu tiên của loài người. Ảnh: Breakthrough Initiatives

Khái niệm buồm ánh sáng là một khái niệm được yêu thích lâu nay, trong đó một phi thuyền vũ trụ được trang bị những tấm lớn vật liệu phản xạ khai thác áp suất bức xạ của một ngôi sao (tức là gió mặt trời) để tăng tốc dần. Ưu điểm chính của công nghệ này là nó không đòi hỏi phi thuyền vũ trụ phải chở theo nguồn nhiên liệu riêng, cái thường chiếm phần lớn khối lượng của một phi thuyền.

Điều này đặc biệt quan trọng đối với các chuyến đi giữa các sao vì khối lượng phản ứng cần thiết để đạt tới tốc độ dù chỉ bằng một phần nhỏ của tốc độ ánh sáng (c) thôi cũng sẽ là rất lớn. Và không giống các khái niệm như sức đẩy phản vật chất hay các khái niệm dựa trên nền vật lí vẫn chưa được kiểm tra (hoặc thậm chí mới chỉ là giả thuyết), buồm mặt trời/ánh sáng khai thác công nghệ và vật lí học đã được chứng minh hoàn toàn tại thời điểm hiện nay.

Một ưu điểm nữa là thực tế buồm ánh sáng có thể được tăng tốc bằng những phương tiện khác ngoài bức xạ mặt trời. Như Lingam giải thích với Universe Today qua email:

Buồm ánh sáng có thể được ‘đẩy đi’ hoặc bằng các ma trận laser hoặc bằng bức xạ mặt trời/sao. Dù là trường hợp nào, ưu điểm chính của buồm ánh sáng là người ta không phải mang theo nhiên liệu trên tàu kiểu như các tên lửa hóa học. Điều này làm giảm rất nhiều khối lượng của phi thuyền vì phần lớn khối lượng ở các tên lửa hóa học là do nhiên liệu. Buồm điện cũng có ưu điểm giống vậy.

Tuy nhiên, trong những năm gần đây, các biến thể trên khái niệm này đã được phát triển, ví như buồm từ (“magsail”) được đề xuất bởi Robert Zubrin và Dana Andrews vào năm 1988, và buồm điện được đề xuất bởi Pekka Janhunen vào năm 2006. Trong trường hợp thứ nhất, một vòng dây siêu dẫn sẽ sinh điện trường, còn trường hợp thứ hai sẽ sinh ra từ trường thông qua một cánh buồm gồm những dây dẫn nhỏ - hai trường hợp đều đẩy gió mặt trời.

Các khái niệm này có một số khác biệt đáng chú ý với buồm mặt trời hay buồm ánh sáng thông thường. Như Lingam giải thích:

Buồm điện hoạt động dựa trên sự truyền động lượng từ các hạt gió mặt trời/sao tích điện (trong ví dụ của chúng ta là các proton) bằng cách làm chệch hướng chúng thông qua điện trường, còn buồm ánh sáng dựa trên sự truyền động lượng từ các photon do ngôi sao phát ra. Như vậy, gió mặt trời lái buồm điện, còn bức xạ điện từ do ngôi sao phát ra thì lái buồm ánh sáng.

Thú vị hơn nữa, buồm từ đã được một số nhà nghiên cứu xem xét như một phương tiện khả dĩ làm chậm buồm ánh sáng khi nó đi gần tới đích. Một cá nhân như thế là giáo sư Claudius Gros thuộc Viện Vật lí Lí thuyết Đại học Frankfurt, và Andreas Hein và Kelvin F. Long – các nhà nghiên cứu chính của Dự án Chuồn Chuồn.

Cả ba khái niệm này đều có khả năng biến đổi bức xạ do các sao phát ra thành động lượng, song chúng cũng có chung một số nhược điểm. Trước hết, buồm điện phụ thuộc rất nhiều vào đặc tính của ngôi sao chủ. Mặt khác, buồm ánh sáng được xem là vô dụng khi nó tiến gần đến các sao loại M (lùn đỏ) do áp suất bức xạ không đủ cao để cấp đủ vận tốc thoát khỏi một hệ sao.

Ảnh minh họa một cánh buồm ánh sáng được lái bởi một chùm vô tuyến (màu đỏ) phát trên bề mặt một hành tinh. Ảnh: M. Weiss/CfA

Đây là một vấn đề khá hạn chế vì các sao lùn khối lượng thấp, cực nguội kiểu M chiếm phần đa số lượng sao trong Vũ trụ - chiếm 75% số sao trong Ngân Hà. Các sao lùn đỏ cũng sống cực thọ so với các họ sao khác và vẫn có thể ở lại chuỗi chính của chúng lên tới 10 nghìn tỉ năm. Do đó, các hệ thống đẩy có thể khai thác các sao hệ sao lùn đỏ sẽ phải thích ứng với những cấp thời gian dài hơi hơn.

Bởi những xét đoán này nên Lingam và Loeb tìm cách xác định xem phương pháp du hành sao nào sẽ ưu thế hơn (buồm ánh sáng hay buồm điện) trong mối tương quan với các họ sao khác nhau – các sao loại F (trắng), loại G (vàng), loại K (cam), và loại M. Sau khi xét đến đặc tính bức xạ của mỗi loại, họ tính đến khối lượng khả dĩ của phi thuyền vũ trụ - dựa trên các thông số được thiết lập bởi Breakthrough Starshot.

Họ tìm thấy một phi thuyền kết hợp với một cánh buồm điện sẽ là phương tiện đẩy tốt hơn trong vùng phụ cận của đa số các loại sao, chứ không riêng gì các phi thuyền cỡ khối lượng hàng gam (như kêu gọi cho Starshot). Tuy nhiên, các tính toán của Lingam và Loeb cũng tìm thấy rằng sẽ cần nhiều thời gian hơn để cho một phi thuyền gắn buồm điện đạt tới những kiểu vận tốc thực tế cho sự du hành giữa các sao.

“Thay vậy, nếu xét buồm ánh sáng được cấp năng lượng bằng các ma trận laser (như Breakthrough Starshot), thì người ta có thể thu ngay được các tốc độ tương đối tính (ví dụ 10% tốc độ ánh sáng) thông qua buồm ánh sáng; trái lại, buồm điện được cấp năng lượng bằng gió sao chỉ đạt tới tốc độ 0,1% tốc độ ánh sáng,” Lingam cho biết.

Ảnh minh họa một ngoại hành tinh đá quay xung quanh Gliese 832, một sao lùn đỏ chỉ cách Trái Đất 16 năm ánh sáng. Ảnh: ESO

Mặc dù một cánh buồm điện có thể đạt tới tốc độ cuối cùng 0,1c từ việc liên tục tiếp cận vùng phụ cận của các sao, song họ tính được để có tốc độ này sẽ cần đến 10.000 lần tiếp cận trong tiến trình một triệu năm. Như Lingam trình bày:

Buồm điện tiêu biểu cho một phương tiện dùng được để du hành giữa các sao. Tuy nhiên, bất kì chủng loài thông minh nào muốn sử dụng phương pháp này đều phải sống thọ bởi lẽ toàn bộ quá trình đạt tới các tốc độ tương đối tính sẽ đòi hỏi xấp xỉ một triệu năm. Nếu thật sự có tồn tại những chủng loài sống thọ như thế, thì buồm điện tiêu biểu cho một phương tiện khá tiện lợi và hiệu quả năng lượng để thám hiểm Ngân Hà trên những quãng thời gian dài (hàng triệu năm).

Mặc dù 1 triệu năm chỉ là một cái chớp mắt khi xét trên bình diện vũ trụ, song nó là một quãng thời gian quá sức dài đối với tuổi thọ của các nền văn minh – chí ít là theo các tiêu chuẩn của chúng ta. Với tư cách chủng loài, con người chỉ mới tồn tại trong khoảng 200.000 năm và chi mới ghi chép lịch sử trong khoảng 6.000 năm. Thêm nữa, chúng ta chỉ mới là một nền văn minh dám thám hiểm không gian trong 60 năm nay thôi.

Vậy nên, một cánh buồm có khả năng được gia tốc bằng laser vẫn là phương tiện thực tế nhất để thám hiểm các ngoại hành tinh trong thời gian bằng quãng đời của chúng ta. Một hàm ý khác đối với nghiên cứu này là cách nó truyền đạt cho việc tìm kiếm trí thông minh ngoài địa cầu (SETI). Khi lùng quét Vũ trụ tìm kiếm các dấu hiệu của hoạt động công nghệ, các nhà khoa học buộc phải tìm kiếm các dấu hiệu mà họ nhận ra được.

Các laser mạnh có thể là một cách tốt để quảng bá sự hiện diện của chúng ta trước những nền văn minh khác, và đó cũng là thứ nên tìm kiếm. Ảnh: MIT News

Với những lợi ích của buồm điện, có khả năng một nền văn minh ngoài địa cầu nào đó ưa chuộng công nghệ này hơn những công nghệ khác. Như giáo sư Loeb giải thích với Universe Today qua email:

Các tính toán của chúng tôi hàm ý rằng có khả năng các nền văn minh tiên tiến ưa sử dụng buồm điện hơn buồm ánh sáng để làm sức đẩy, dựa trên công suất phát tự nhiên của các sao ở dạng gió hoặc bức xạ. Tuy nhiên, nếu một nền văn minh công nghệ cao muốn thu tốc độ hay phóng những hàng hóa lớn không thể đẩy đi bằng sức mạnh của ngôi sao chủ của họ, thì có khả năng họ sẽ thích dùng buồm ánh sáng được đẩy đi bằng chùm sáng nhân tạo của họ, ví như một laser mạnh. Tình huống tương tự như sự khác biệt giữa thuyền buồm dùng sức gió miễn phí từ mẹ thiên nhiên, so với những con thuyền to hơn và nhanh hơn dùng sức đẩy nhân tạo như một động cơ chẳng hạn.

Thật không may, Loeb bổ sung thêm, buồm điện thì không dễ gì phát hiện từ cự li xa bởi lẽ chúng được làm bằng những lưới dây tích điện và không phát ra bất kì tín hiệu kĩ thuật rõ rệt nào. Do đó, ông kết luận, “SETI phải chủ yếu tập trung vào tìm kiếm buồm ánh sáng, chúng khả kiến do các chùm sáng của chúng rò qua vượt khỏi ranh giới của buồm ở gần điểm phóng của chúng hoặc do chúng phản xạ ánh sáng mặt trời khi đi qua gần Mặt Trời, y hệt như các tiểu hành tinh hay sao chổi có kích cỡ tương tự.”

Tuy nhiên, Lingam và Loeb cũng nhấn mạnh rằng buồm điện có thể là một lựa chọn hấp dẫn đối với một nền văn minh ngoài địa cầu vì lí do y như vậy. Ngoài việc hiệu quả năng lượng, buồm điện còn không bị tràn tín hiệu và do đó có thể đi từ hệ sao này đến hệ sao kia mà không bị để ý. Một giải pháp hợp lí cho Nghịch lí Fermi chăng? Có lẽ vậy!

Dẫu sao, nghiên cứu này thật sự làm rõ rằng các kế hoạch hiện nay của chúng ta nhằm thám hiểm các hệ sao láng giềng nên tập trung vào các khái niệm nhấn mạnh tốc độ hơn là tuổi thọ. Điều này có nghĩa là việc triển khai buồm điện hay buồm từ (thời gian thám hiểm của chúng phải tính bằng hàng thời đại) là một ý tưởng tồi, còn một sứ mệnh có thể đi tới một hệ sao khác trong thời gian bằng quãng đời của chúng ta hiện nay là lựa chọn có vẻ ưu tiên hơn.

Nguồn: Universe Today