Tàng hình con tàu từ dòng nước chảy

Áo tàng hình sóng nước

Một con tàu đang xé nước. Liệu những con tàu của tương lai có thể sử dụng siêu chất liệu để tránh bị phát hiện ra hay không? (Ảnh: iStockphoto.com/sharply_done)

Những con tàu trong tương lai có lẽ sẽ có thể di chuyển trong nước mà không tạo ra lằn tàu chạy. Đó là theo hai nhà nghiên cứu ở Mĩ, họ vừa đề xuất một loại chất liệu mới cho phép nước chảy vòng qua một vật như thể nó không có mặt ở đó. Thiết kế trên, cho đến nay chưa được xây dựng, có thể làm tăng hiệu suất năng lượng của tàu thủy và tàu ngầm – và thậm chí còn giúp chúng khỏi bị đối phương phát hiện. “Chức năng chính của cấu trúc [của chúng tôi] là ngăn nước chảy vòng quanh ‘cảm nhận’ ra vật đó”, phát biểu của Yaroslav Urzhumov ở trường Đại học Duke.

Năm năm qua đã chứng kiến một làn sóng nghiên cứu về áo tàng hình. Chiếc áo tàng hình thực tế đầu tiên, hoạt động với sóng điện từ trong vùng vi sóng, đã được chứng minh bởi một đội đứng đầu là David Smith tại trường Đại học Duke vào năm 2006, và kể từ đó các nhà nghiên cứu đã đề xuất và chứng minh những áo tàng hình hoạt động với ánh sáng nhìn thấy, âm thanh và thậm chí với những sự kiện trong dòng thời gian.

Uốn cong dòng nước chảy

Thiết kế mới trên, do Urzhumov và Smith trình bày trong một bài báo đăng trên tạp chí Physical Review Letters, có thể gọi là áo tàng hình nước, hay chính xác hơn là “áo tàng hình dòng chất lỏng”. Nó hoạt động trên cơ sở lí thuyết đã mang lại cho chúng ta những áo tàng hình trước đây, đó là quang học biến đổi tọa độ. Theo kiểu hệt như các phương trình của thuyết tương đối rộng cho biết sự hấp dẫn có thể uốn cong không-thời gian như thế nào, các phương trình quang học biến đổi tọa độ có thể cho biết các chất liệu với những tính chất khác lạ có thể uốn cong đường đi của ánh sáng – hoặc những sóng khác, như sóng âm, sóng nước - như thế nào. Những chất liệu mới lạ này, gọi là siêu chất liệu, có thể dẫn sóng vòng quanh một vật, rồi từ một khoảng cách nó xuất hiện như thể vật thật sự không có mặt ở đó.

Trước đây, các nhà vật lí đã từng nói tới áo tàng hình đối với nước. Vào năm 2008, các nhà vật lí tại trường Đại học Liverpool ở Anh và Ecole Centrale Marseille ở Pháp đã trình bày làm thế nào một siêu chất liệu có thể che chắn một vật theer khỏi những con sóng mặt nước. Nhưng sóng mặt nước thì khó chảy: trong sóng, bản thân chất lỏng không di dời đi đâu và không có sự truyền khối lượng. Urzhumov và Smith là những đầu tiên chỉ ra làm thế nào một vật có thể bị tàng hình để cho nó có thể di chuyển trong nước mà không để lại vết tích.

Một trở ngại mà hai nhà nghiên cứu trên vướng phải là làm thế nào để nước chảy vòng quanh một con tàu lớn và gặp nhau gọn gàng tại đuôi tàu. Urzhumov và Smith đề xuất rằng siêu chất liệu bao quanh thân tàu đòi hỏi không những xốp, mà còn có một cấu trúc dị hướng biểu diện sự cản trở khác nhau với dòng chảy ở những điểm khác nhau xung quanh thân tàu. Đây có thể là một mạng lưới mái chèo được chống đỡ bằng dây, Urzhumov đề xuất.

Cần những máy bơm nhỏ xíu

Cho dù siêu chất liệu có khả năng lái nước vòng quanh thân tàu, thì vẫn có một trở ngại lớn hơn: càng có nhiều nước bị lái, thì con tàu sẽ càng bị chậm lại. Chính sự thay đổi vận tốc này là nguyên nhân gây ra sự xáo trộn nổi bọt tại lằn tàu chạy. Do đó, các nhà nghiên cứu đề xuất, siêu chất liệu trên sẽ cần bơm nước một cách tích cực để kháng lại sự mất vận tốc. Vì hoạt động bơm này phải được thực hiện trong siêu chất liệu, nên các máy bơm đó phải là nhỏ xíu.

Urzhumov có hai ý tưởng trong đầu. Một là máy bơm áp điện, nó gồm một tinh thể nhỏ bẻ cong khi có một điện áp đặt vào nó. Ý tưởng kia là máy bơm điện-thấm lọc, trong đó một điện áp đặt lên màng tạo ra sự chênh lệch áp suất, buộc nước thấm qua. “Máy bơm micro kiểu điện-thấm lọc có tốc độ chảy thấp hơn nhiều, nên chúng [chỉ] có thể dùng để chế tạo một nguyên mẫu chứng-minh-nguyên-lí, cỡ nhỏ, tốc độ chậm”, Urzhumov nói. “Máy bơm micro kiểu áp điện là những ứng cử viên có khả năng nhất”.

Nếu áo tàng hình dòng chất lỏng của Urzhumov và Smith được chế tạo, thì các nhà nghiên cứu dự đoán một ưu điểm của nó sẽ là hiệu suất. Khi tàu thủy di chuyển, nó kéo theo nước lân cận đi cùng với nó, làm dịch chuyển nhiều khối lượng hơn cái đúng ra nó phải làm. Mặt khác, nếu tàu thủy chỉ được đẩy đi bằng siêu chất liệu hoạt tính, thì nó sẽ chỉ dịch chuyển lượng nước tối thiểu cần thiết.

Tránh bị phát hiện

Một ưu điểm nữa là sự tĩnh lặng: lằn xoáy của con tàu là nơi phát sinh rất nhiều tiếng ồn của nó. Bằng cách triệt tiêu lằn tàu, siêu chất liệu sẽ làm cho con tàu im ắng hơn. “Tiếng nhiễu âm học chắc chắn được [các cơ quan] quốc phòng sử dụng với mục đích dò tìm [mục tiêu]”, Urzhumov nói.

Sebastien Guenneau, một nhà vật lí tại trường Đại học Liverpool, người đã hỗ trợ phát triển áo tàng hình sóng nước hồi năm 2008, cho biết áo tàng hình dòng chảy có thể có “những ứng dụng hết sức tiềm năng trong lĩnh vực hàng không học”, làm giảm dòng nhiễu loạn xung quanh những con tàu thủy, tàu ngầm và thậm chí là máy bay. “Có những ứng dụng dễ thấy trong kĩ thuật dân sự, nhưng tôi đoán ngành quân sự cũng sẽ thấy hứng thú”, ông bổ sung thêm.

Phòng thí nghiệm của Smith trước đây đã xây dựng một vài áo tàng hình điện từ, nhưng nhóm Duke không có kế hochj xây dựng áo tàng hình dòng chảy trong thời gian trước mắt. “Sức mạnh thực nghiệm của chúng tôi nằm ở những siêu chất liệu điện từ... chúng ta không có một cơ sở thử nghiệm thủy động lực học nào”, Urzhumov nói. “Sẽ hiệu quả hơn nhiều là nên xây dựng một chương trình hợp tác với một tổ chức sẵn sàng cho những thí nghiệm như thế”.

Các bạn có thể tham khảo bản thảo của bài báo trên tại arXiv:1106.2282.

Nguồn: physicsworld.com