Metajets: 'Cánh buồm ánh sáng' đưa tàu vũ trụ du hành liên sao

Các nhà khoa học vừa phát triển thành công thiết bị siêu nhỏ có khả năng bay và điều hướng hoàn toàn bằng ánh sáng laser, mở ra triển vọng du hành liên sao.

Hệ sao gần nhất với chúng ta, Alpha Centauri, nằm cách Trái Đất khoảng 4,37 năm ánh sáng. Với công nghệ tên lửa đẩy nhiên liệu hóa học hiện nay, con người sẽ mất hàng chục nghìn năm để thực hiện một chuyến hành trình tới đó. Tuy nhiên, một nghiên cứu mới từ Đại học Texas A&M được công bố trên tạp chí Newton đang mở ra một viễn cảnh khác: Rút ngắn thời gian di chuyển xuống chỉ còn khoảng 20 năm bằng cách sử dụng ánh sáng làm lực đẩy.

Khái niệm đẩy vật thể bằng ánh sáng dựa trên nguyên lý vật lý đã được biết đến hơn một thế kỷ: Ánh sáng tạo ra áp suất, hay còn gọi là áp suất bức xạ. Dù lực này rất nhỏ, nhưng trong môi trường chân không của vũ trụ, nó có thể tạo ra gia tốc liên tục. NASA và Cơ quan Vũ trụ Nhật Bản (JAXA) từng thử nghiệm thành công các "cánh buồm mặt trời" tận dụng ánh sáng tự nhiên.

Thách thức lớn nhất từ trước đến nay không phải là đẩy vật thể đi, mà là làm sao để điều khiển chúng chính xác ở tốc độ cực cao. Một sai lệch nhỏ trong quỹ đạo có thể khiến con tàu bay chệch mục tiêu hàng tỷ kilomet.

Hình ảnh minh họa của một "cánh buồm ánh sáng" đưa phi thuyền vượt không gian. (Nguồn: Richard bizley)

Đột phá từ vật liệu siêu bề mặt 'Metajets'

Giải pháp cho vấn đề điều hướng nằm ở các thiết bị siêu nhỏ gọi là Metajet. Chúng được chế tạo từ "siêu bề mặt" (metasurface) - loại vật liệu siêu mỏng với các cấu trúc nano có khả năng bẻ cong hoặc tán xạ ánh sáng laser chiếu vào theo những hướng xác định.

Vì ánh sáng mang động lượng, khi Metajet định hướng lại chùm tia laser, nó tạo ra một lực phản hồi ngược lại tác động lên chính vật thể. Điểm đặc biệt của công nghệ này là khả năng điều khiển ba chiều:

Chuyển động tích hợp: Khả năng điều hướng nằm ngay trong thiết kế cấu trúc nano của vật liệu chứ không phụ thuộc vào hướng của luồng laser.Điều khiển đa hướng: Trong nhiều thử nghiệm, các nhà nghiên cứu đã khiến nguyên mẫu Metajet lơ lửng và di chuyển ngang đồng thời chỉ bằng một nguồn sáng cố định.

Chuỗi ảnh này cho thấy một metajet siêu vật liệu đang chuyển động dưới ánh sáng laser. Nguồn: Shoufeng Lan)

Hành trình từ phòng thí nghiệm đến các vì sao

Hiện tại, các nguyên mẫu Metajet vẫn có kích thước hiển vi, nhỏ hơn sợi tóc người. Tuy nhiên, lực tạo ra tỷ lệ thuận với công suất ánh sáng chiếu vào, nghĩa là về mặt lý thuyết, nguyên lý này không bị giới hạn bởi kích thước thiết bị.

Nếu có thể mở rộng quy mô và kết hợp với các hệ thống laser công suất cực lớn, tàu vũ trụ có thể đạt tới 20% tốc độ ánh sáng. Ở vận tốc này, hành trình đến Alpha Centauri sẽ chỉ còn kéo dài hai thập kỷ thay vì nhiều thiên niên kỷ như hiện nay.

Mặc dù việc chế tạo một con tàu liên sao thực sự vẫn còn đối mặt với nhiều rào cản về vật liệu chịu nhiệt và hệ thống định vị tầm xa, nhưng Metajet đã chứng minh rằng việc điều khiển vật thể bằng ánh sáng là hoàn toàn khả thi. Đây là nền tảng quan trọng để biến những giấc mơ du hành xuyên không gian của nhân loại trở thành hiện thực trong tương lai.