TARS: Giải pháp ly tâm năng lượng Mặt Trời cho du hành liên sao

Giới thiệu

Hình ảnh này của Alpha Centauri được tạo ra từ việc tổng hợp các bức ảnh từ Digitized Sky Survey 2. (Nguồn ảnh: NASA)

Việc tiếp cận không gian liên sao có thể đơn giản hơn chúng ta nghĩ, nhờ một ý tưởng mới có tên TARS, hay “Bộ gia tốc quay sử dụng bức xạ Mặt Trời”. Về cơ bản, đây là một máy ly tâm chạy bằng năng lượng Mặt Trời, có thể phóng các tàu thăm dò nhỏ với vận tốc vượt quá vận tốc thoát để rời khỏi hệ Mặt Trời.

Thực hiện một nhiệm vụ liên sao là một trong những thách thức lớn nhất mà nhân loại sẽ đối mặt, theo David Kipping, nhà khoa học đứng sau ý tưởng TARS, trả lời Space.com.

Nguyên lý hoạt động của TARS

TARS, được đặt tên theo robot trong phim “Interstellar” năm 2014, có thể là một cách tiếp cận để du hành tới các ngôi sao khác. TARS không cần lò phản ứng nhiệt hạch, không cần laser gigawatt và thậm chí không cần tên lửa hóa học (ngoại trừ để đưa TARS rời khỏi Trái Đất). Vẻ đẹp của TARS nằm ở tính đơn giản. Hoạt động như sau.

Kipping, giáo sư thiên văn học tại Đại học Columbia, hình dung TARS gồm hai tấm phản xạ, mỗi tấm có mặt phủ phản quang ở một phía và mặt sẫm màu phía kia. Hai tấm đặt cách nhau 180 độ sao cho mặt phản xạ hướng ngược chiều nhau, nối với nhau bằng một dây neo. Tương tự như buồm Mặt Trời, ánh sáng Mặt Trời sẽ đẩy lên mặt phản xạ, khiến TARS quay ngày càng nhanh cho đến khi đạt vận tốc tới hạn và phóng một tàu thăm dò cỡ bằng điện thoại di động ra với tốc độ cao. TARS cũng hoạt động như một “pin”, tích trữ năng lượng Mặt Trời cho đến khi sẵn sàng giải phóng dưới dạng động năng.

Thiết kế vật liệu và tính toán

Trong bài báo, Kipping cùng sinh viên kỹ thuật Kathryn Lampo đưa ra ví dụ về hai tấm có độ dày 2,8 micron và rộng 7 m, cách nhau 63 m, có thể quay trong ba năm trước khi phóng tàu thăm dò với tốc độ 12,1 km/s. Cộng thêm chuyển động quỹ đạo, thiết bị này có thể đạt vận tốc trên 42 km/s đủ để thoát khỏi hệ Mặt Trời và vào không gian liên sao.

Di chuyển với tốc độ đó, sẽ mất hơn 30.000 năm để tới Alpha Centauri, cách Trái Đất 4,3 năm ánh sáng. May mắn có những thủ thuật để tăng tốc hơn nữa.

Trong thiết kế cơ bản, Kipping cho biết hai yếu tố chi phối vận tốc phóng: thời gian tích trữ năng lượng và độ bền kéo riêng (tensile strength tỉ lệ với khối lượng). Vật liệu tốt nhất có sẵn hiện nay là tấm carbon nanotube thương mại, dựa trên tính toán của ông. Tuy nhiên, tương lai có thể sản xuất graphene quy mô công nghiệp, với độ bền kéo cao hơn, cải thiện đáng kể vận tốc phóng.

Quasite và hiệu ứng Oberth

Một vấn đề là bức xạ Mặt Trời sẽ dần đẩy TARS rời xa Mặt Trời, làm giảm lượng ánh sáng nhận được (ánh sáng giảm theo định luật nghịch đảo bậc hai). Giải pháp của Kipping là khái niệm quasite, biến thể của statite – buồm Mặt Trời cân bằng hoàn hảo giữa áp lực bức xạ và trọng lực, không di chuyển. Quasite hơi lệch về trọng lực, rơi nhẹ về phía Mặt Trời nhưng nếu được điều hướng ngang, có thể giữ quỹ đạo ổn định, tương tự vệ tinh quay quanh Trái Đất.

Kết hợp quasite với hiệu ứng Oberth (tăng tốc khi tiếp cận Mặt Trời), vật liệu graphene, trường điện từ và tia laser khởi động, tàu thăm dò có thể đạt tới 1.000 km/s (0,3% tốc độ ánh sáng), rút ngắn thời gian tới Alpha Centauri còn khoảng 1.300 năm.

Tương lai và ứng dụng

Ý tưởng TARS mới chỉ là khái niệm trên giấy, nhưng Kipping đã nhận được đề nghị miễn phí đưa mẫu kích thước cubesat lên quỹ đạo từ một số công ty vũ trụ tư nhân. Ông tin sinh viên kỹ thuật đại học có thể triển khai nguyên mẫu, với thách thức chính là triển khai tấm mỏng và thu tín hiệu từ xa để giám sát chuyển động quay.

Kipping đặt TARS ra công khai để khuyến khích cộng đồng nghiên cứu cải tiến và đa dạng hóa các phương án tiếp cận liên sao. Ông cho rằng đây là nhiệm vụ nhiều thế hệ, để lại di sản cho những người tiếp theo.

Bạn có thể đọc bài báo của Kipping và Lampo trong tạp chí Astro-ph.