Một loại buồm Mặt Trời nhiễu xạ có thể giúp tàu vũ trụ tiếp cận tiểu hành tinh từ hướng ngược chiều chuyển động và đạt tốc độ va chạm khoảng 100 km/giây, mở ra một phương án mới để làm lệch quỹ đạo các vật thể có nguy cơ đâm vào Trái đất.
Đề xuất này do các nhà khoa học tại Đại học Beihang (Trung Quốc) đưa ra. Theo các mô phỏng, một tàu vũ trụ sử dụng loại buồm này có thể thực hiện quỹ đạo đặc biệt quanh Mặt Trời, sau đó lao ngược hướng chuyển động của tiểu hành tinh để tạo ra cú va chạm có năng lượng rất lớn.
Điểm đáng chú ý nằm ở chính tốc độ. Khi vận tốc tăng, năng lượng của một vật thể chuyển động tăng theo bình phương vận tốc. Vì vậy, một tàu va chạm ở tốc độ 100 km/giây có thể truyền năng lượng trên mỗi kg khối lượng lớn hơn khoảng 230 lần so với phương tiện trong sứ mệnh DART của NASA, vốn va vào tiểu hành tinh Dimorphos với tốc độ khoảng 6 km/giây trong một sứ mệnh trước đây.
Dùng ánh sáng để đưa tàu đi ngược chiều
Để đạt được tốc độ này, tàu trước hết phải đi vào quỹ đạo nghịch hành, tức chuyển động quanh Mặt Trời theo hướng ngược với phần lớn các vật thể trong hệ Mặt Trời, trong đó có Trái đất.
Đây là bài toán khó đối với tên lửa hóa học. Một tàu phóng từ Trái đất đã mang sẵn vận tốc quanh Mặt Trời theo chiều chuyển động chung của hành tinh. Muốn đảo hướng, tàu cần thay đổi vận tốc rất lớn, kéo theo nhu cầu nhiên liệu khổng lồ.
Phương trình tên lửa Tsiolkovsky khiến bài toán càng khó: muốn mang thêm nhiên liệu để tăng tốc, tàu lại phải mang thêm khối lượng và cần nhiều nhiên liệu hơn để đẩy chính lượng nhiên liệu đó.
Buồm Mặt Trời có thể tránh được hạn chế này bằng cách sử dụng áp suất bức xạ Mặt Trời. Các photon từ Mặt Trời tạo ra một lực rất nhỏ lên bề mặt buồm, nhưng lực này có thể tích lũy liên tục trong thời gian dài mà không cần mang nhiên liệu.
Từ thập niên 1990, kỹ sư người Italy Giancarlo Vulpetti đã đề xuất một quỹ đạo gọi là H-reversal, tận dụng buồm Mặt Trời để đảo hướng chuyển động của tàu.
Trong phương án này, buồm trước tiên hoạt động như một chiếc phanh, làm giảm mômen động lượng của tàu quanh Mặt Trời. Khi mômen động lượng giảm xuống đủ thấp, lực hấp dẫn của Mặt Trời kéo tàu vào sâu hơn về phía ngôi sao. Khi đạt cận nhật, tức điểm gần Mặt Trời nhất trên quỹ đạo, buồm được điều chỉnh để tạo lực đẩy theo hướng mới, đưa tàu bay trở ra ngoài theo quỹ đạo nghịch hành.
Vấn đề là buồm Mặt Trời truyền thống không dễ thực hiện thao tác này.
Buồm nhiễu xạ thay đổi cách điều khiển
Các sứ mệnh như IKAROS của Cơ quan Thám hiểm Hàng không Vũ trụ Nhật Bản (JAXA) và LightSail 2 của Planetary Society đã chứng minh khả năng sử dụng buồm Mặt Trời trong không gian.
Những buồm này chủ yếu hoạt động như các tấm gương khổng lồ. Khi ánh sáng phản xạ khỏi bề mặt, lực đẩy được tạo ra theo hướng phụ thuộc vào góc của buồm so với Mặt Trời.
Để thực hiện quỹ đạo H-reversal, buồm phải nghiêng ở những góc rất lớn. Khi đó, diện tích bề mặt thực sự hứng ánh sáng giảm mạnh, khiến hiệu suất giảm theo.
Buồm Mặt Trời nhiễu xạ được thiết kế để giải quyết vấn đề này. Thay vì chỉ phản xạ ánh sáng, bề mặt buồm được tích hợp các cấu trúc quang học siêu nhỏ, có khả năng bẻ hướng ánh sáng sang bên. Nhờ đó, tàu có thể giữ phần lớn bề mặt buồm hướng về phía Mặt Trời nhưng vẫn tạo lực đẩy theo phương ngang mà không cần xoay toàn bộ buồm quá nhiều.
Các nhà nghiên cứu mô phỏng nhiều cấu hình khác nhau và nhận thấy buồm nhiễu xạ kiểu phản xạ có triển vọng nhất. Các cấu hình khác có nguy cơ khiến tàu rơi vào Mặt Trời hoặc bị đẩy hoàn toàn ra khỏi hệ Mặt Trời.
Mô phỏng với Tiểu hành tinh Apophis
Nhóm nghiên cứu sau đó sử dụng Apophis làm mục tiêu cho mô phỏng. Tiểu hành tinh này có đường kính khoảng 340 m và dự kiến bay cách Trái đất khoảng 38.000 km vào ngày 13-4-2029.
Apophis hiện không được xem là mối đe dọa cần phải làm lệch quỹ đạo. Các nhà nghiên cứu chọn nó làm mục tiêu mô phỏng vì đây là một trong những tiểu hành tinh được nghiên cứu kỹ và có nhiều dữ liệu quan sát.
Hai cấu hình buồm nhiễu xạ kiểu phản xạ được đưa vào mô phỏng. Một cấu hình duy trì góc nhiễu xạ cố định trong toàn bộ hành trình. Cấu hình còn lại thay đổi góc nhiễu xạ, sử dụng góc vừa phải khi tàu tiến về phía Mặt Trời rồi tăng lên gần 90 độ khi tàu đạt cận nhật.
Cả hai phương án đều cho phép tàu va chạm đạt tốc độ khoảng 100 km/giây và tiếp cận Apophis trong khoảng 200–300 ngày sau khi phóng.
Theo nghiên cứu, thời gian này ngắn hơn gần một năm so với phương án sử dụng buồm Mặt Trời phản xạ truyền thống. Trong trường hợp phát hiện một tiểu hành tinh thực sự có nguy cơ va chạm với Trái đất, việc rút ngắn thời gian tiếp cận có thể tạo thêm thời gian cho các phương án ứng phó.
Từ DART đến thế hệ phương án mới
Ý tưởng mới được xây dựng trên thành công của DART, sứ mệnh của NASA đã chứng minh con người có thể chủ động làm thay đổi quỹ đạo một tiểu hành tinh.
Tháng 9-2022, tàu DART đã lao vào Dimorphos, tiểu hành tinh có đường kính khoảng 160 m, với tốc độ khoảng 6 km/giây. Vụ va chạm làm thay đổi chu kỳ quỹ đạo của Dimorphos quanh tiểu hành tinh lớn hơn là Didymos.
DART sử dụng phương pháp tác động động năng, trong đó một tàu vũ trụ được phóng với tốc độ cao vào tiểu hành tinh để truyền động lượng và làm thay đổi quỹ đạo của mục tiêu.
Tuy nhiên, phương pháp này phụ thuộc đáng kể vào hình học quỹ đạo. DART tiếp cận Dimorphos từ phía sau, cùng chiều với chuyển động quanh Mặt Trời. Nếu phát hiện một tiểu hành tinh nguy hiểm ở khoảng thời gian tương đối ngắn trước khi nó đến gần Trái đất, việc đưa tàu đến đúng vị trí để thực hiện cú va chạm có thể đòi hỏi nhiều năm chuẩn bị quỹ đạo.
Phương án buồm Mặt Trời nhiễu xạ nhằm bổ sung một lựa chọn khác: thay vì cố đuổi theo tiểu hành tinh, tàu có thể đi vòng qua Mặt Trời, đảo hướng chuyển động rồi lao tới từ phía đối diện.
Đây vẫn là một phương án trên giấy. Các kết quả hiện nay mới dựa trên mô phỏng, chưa có sứ mệnh nào chứng minh khả năng đưa một tàu vũ trụ vào quỹ đạo H-reversal bằng buồm Mặt Trời nhiễu xạ, càng chưa có thử nghiệm va chạm ở tốc độ 100 km/giây.
Tuy vậy, nghiên cứu cho thấy ngoài việc phát hiện sớm và chuẩn bị phương án tác động động năng như DART, cách con người di chuyển trong hệ Mặt Trời cũng có thể trở thành một phần của bài toán phòng vệ hành tinh.
Hình ảnh quá trình triển khai Buồm Mặt Trời LightSail 2. Buồm Mặt Trời có thể sử dụng áp suất bức xạ từ Mặt Trời để thay đổi quỹ đạo tàu vũ trụ mà không cần nhiên liệu đẩy. Ảnh: The Planetary Society
