Tại một đài quan sát kép trên đỉnh núi Teide ở đảo Tenerife của Tây Ban Nha, một hệ thống laser công suất lớn đang được triển khai để theo dõi các mảnh vỡ không gian trên quỹ đạo và cảnh báo khi chúng đe dọa vệ tinh. Trong tương lai, nó thậm chí có thể được dùng để đẩy rác vũ trụ tránh khỏi quỹ đạo va chạm với vệ tinh.
Hai trạm đo khoảng cách bằng laser Izaña-1 và Izaña-2 do Cơ quan Vũ trụ châu Âu (ESA) vận hành và được xây dựng bởi công ty Đức DiGOS, chuyên về công nghệ đo bằng laser. Izaña-1 đã hoạt động từ năm 2021 và được dùng trong các nhiệm vụ đo quỹ đạo vệ tinh. Với việc Izaña-2 vừa hoàn tất, cặp kính viễn vọng này đảm nhận một nhiệm vụ tham vọng hơn trong Chương trình An toàn Không gian của ESA.
Hai kính viễn vọng hoạt động đồng bộ: Izaña-2 phát xung laser về phía một mảnh rác không gian trên cao, còn Izaña-1 nhận tín hiệu phản xạ. Nhờ đó, hệ thống có thể theo dõi quỹ đạo của mảnh vỡ, xác định liệu nó có khả năng va chạm với vệ tinh hay không.
“Chúng tôi phải tăng công suất laser của Izaña-2 vì kế hoạch là chiếu vào những mục tiêu không phản xạ mạnh; do đó số lượng photon truyền ngược về trạm bị hạn chế và chúng tôi bù đắp bằng các xung năng lượng mạnh hơn,” kỹ sư quang học ESA Andrea Di Mira cho biết trong một video giới thiệu trên trang web ESA.
Một vụ va chạm trên quỹ đạo có thể từ xấu đến rất nghiêm trọng. Một vệ tinh riêng lẻ có thể bị hỏng nặng, gây thiệt hại tài chính, hoặc mất dữ liệu nghiên cứu nếu đó là vệ tinh khoa học. Trong kịch bản tồi tệ nhất, va chạm có thể phá vỡ vệ tinh thành nhiều mảnh rác hơn, những mảnh này lại tiếp tục va chạm với các vệ tinh khác, tạo thêm nhiều mảnh vụn — một vòng xoáy nguy hiểm gọi là Hội chứng Kessler, theo tên nhà khoa học NASA Donald Kessler, người đầu tiên mô tả nó. Khi đó, những vùng rộng lớn của quỹ đạo Trái Đất thấp có thể không còn sử dụng được vì mật độ rác không gian quá lớn.
Do đó, việc theo dõi rác vũ trụ là cực kỳ quan trọng để vệ tinh có thể cơ động tránh trước khi bị va chạm.
Hệ thống Izaña hiện vận hành bán tự động, thậm chí có thể hoạt động vào ban ngày. Dù mọi thứ được tự động hóa, một nhóm kỹ sư vẫn giám sát từ xa Izaña-1 và Izaña-2. Mục tiêu cuối cùng là hệ thống sẽ hoàn toàn tự động.
“Trong lộ trình phát triển, chúng tôi dự kiến đạt mức tự động hóa hoàn toàn. Điều này mang lại lợi thế lớn là tăng năng suất dữ liệu,” Di Mira nói.
Tham vọng còn tiến xa hơn. Hiện nay, nếu hệ thống Izaña phát hiện mảnh rác lao về phía vệ tinh, thì chính vệ tinh phải tự né tránh bằng cách kích hoạt động cơ đẩy.
Tuy nhiên, có thể có một giải pháp khác gọi là chuyển động bằng xung lượng laser.
“Đó là dùng laser để truyền xung lượng, đẩy nhẹ mảnh rác trên quỹ đạo lệch đi một chút để nó không va chạm với vệ tinh,” ông André Kloth, Giám đốc điều hành DiGOS, giải thích trong video.
Laser trên Izaña-2 có thể đẩy rác vũ trụ tránh đường, tương tự như cách laser có thể đẩy buồm mặt trời nhờ xung lượng photon. Với giải pháp này, vệ tinh không cần phải cơ động, nhờ đó tiết kiệm nhiên liệu và kéo dài tuổi thọ nhiệm vụ.
Với Izaña-1 theo dõi rác và vệ tinh, còn Izaña-2 đẩy rác tránh đường, ESA có thể sở hữu một hệ thống toàn diện tránh va chạm, góp phần vào dự án khác của cơ quan này gọi là OMLET (Orbital Maintenance via Laser momEntum Transfer – Bảo trì quỹ đạo bằng truyền động xung lượng laser). OMLET sẽ cung cấp cho các nhà vận hành vệ tinh một hệ thống theo yêu cầu, biết chính xác vị trí vệ tinh so với rác không gian, đồng thời có khả năng đẩy rác tránh đi.
Thậm chí còn có khả năng laser của Izaña-2 được tận dụng làm nền tảng thử nghiệm truyền thông bằng laser, gửi dữ liệu mã hóa lên vệ tinh rồi chuyển tiếp tới điểm đích. Ngoài việc ít bị nhiễu hơn sóng radio, laser quang học và hồng ngoại còn hỗ trợ mã hóa lượng tử — gọi là QKD (quantum key distribution), trong đó chìa khóa mã hóa dữ liệu được nhúng trong trạng thái chồng chập lượng tử của photon.
Ngay cả trong ngày nhiều mây, các laser ngày nay vẫn có thể xuyên qua để tới mục tiêu. Trên thực tế, các vệ tinh quan sát Trái Đất thường xuyên dùng laser để đo đạc bề mặt hành tinh bất chấp mây mù, trong khi các nhà khoa học Trung Quốc gần đây đã thực hiện thành công thí nghiệm đo khoảng cách bằng laser ban ngày từ Trái Đất lên Mặt Trăng lần đầu tiên.
Hai trạm đo khoảng cách bằng laser Izaña-1 và Izaña-2 của Cơ quan Vũ trụ châu Âu tại Tây Ban Nha phối hợp để theo dõi các mảnh rác vũ trụ nguy hiểm tiềm ẩn bằng tia laser. Ảnh: ESA
