Cuộc đua công nghệ tàng hình

Hãy tưởng tượng một máy bay chiến đấu được bao phủ bởi một "lớp áo choàng" khiến nó trở nên vô hình trước mắt các lực lượng thù địch. Đầu năm nay, các nhà khoa học tại Đại học Chiết Giang ở Trung Quốc tuyên bố họ đã tạo ra một thứ như vậy: một "lớp áo choàng tàng hình trên không" cho máy bay - tương tự như những gì bạn có thể thấy trên loạt phim khoa học viễn tưởng Star Trek. Hiện tại, quân đội Trung Quốc muốn áp dụng công nghệ tàng hình mới cho đội máy bay không người lái của họ theo Pop Mech.

Áo tàng hình

Có thể giải thích sơ lược công nghệ mới như thế này: Máy bay thường bị phát hiện khi chúng phản xạ lại sóng từ các hệ thống radar. Tuy nhiên, "áo tàng hình" được chế tạo để đánh lừa radar bằng cách sử dụng các vật liệu đặc biệt có khả năng bẻ cong những sóng này xung quanh máy bay, khiến chúng như thể đang xuyên qua máy bay mà không bị phản xạ lại. Mục tiêu của công nghệ này là điều khiển sóng trong toàn bộ dải phổ điện từ, bao gồm cả phần mà mắt người có thể nhìn thấy và không nhìn thấy. Dải phổ điện từ (electromagnetic spectrum) là toàn bộ phạm vi các loại bức xạ điện từ, được phân loại dựa trên tần số hoặc bước sóng. Các sóng này đều là dạng năng lượng lan truyền trong không gian dưới dạng sóng, với vận tốc ánh sáng (300.000 km/s trong chân không).

Trong nhiều thập kỷ, quân đội nhiều nước trên thế giới đã nỗ lực để chế tạo các nền tảng giúp máy bay chiến đấu không thể bị radar phát hiện. Tuy nhiên, công nghệ máy bay tàng hình vẫn chưa hoàn hảo và  máy bay vẫn có thể bị phát hiện nếu đối phương sử dụng loại radar phù hợp. Tuy nhiên, nhóm nghiên cứu từ Đại học Chiết Giang tuyên bố nay họ đã có thể khắc phục lỗ hổng tàng hình này và làm cho chiến đấu cơ hoàn toàn không thể bị phát hiện. Nhưng liệu đây có phải là sự thật?

Trước khi có áo tàng hình, máy bay tàng hình là lựa chọn tiên tiến nhất hiện có nếu một đội quân muốn bí mật, bất ngờ tấn công đối phương từ trên không. Phần bên ngoài của máy bay tàng hình được chế tạo bằng vật liệu tổng hợp đặc biệt chứa các chất như graphene và sợi carbon, có thể hấp thụ một số loại sóng radar thay vì phản xạ với chúng. Các máy bay tàng hình của quân đội Mỹ như F-35, F-22 Raptor và B-2 Spirit được thiết kế với nhiều mặt phẳng để phản xạ càng ít sóng radar càng tốt và trông giống một con dơi hoặc một con chim đang bay. Các thiết kế tương tự được ứng dụng trên tàu ngầm khiến những con quái vật bằng thép này khó có thể bị thiết bị định vị thủy âm (sonar) phát hiện.

Cho đến này, Mỹ đang đi đầu trong lĩnh vực máy bay tàng hình. Từ những năm 1970, Bộ Quốc phòng Mỹ đã có chủ trương phát triển công nghệ này, nhưng không công khai cho đến những năm 1980. Máy bay tàng hình đầu tiên của Mỹ, chiếc F-117 được đưa vào biên chế từ năm 1983 và cuối năm 1988 mới được công bố. Kể từ thời điểm đó, các đối thủ của Mỹ (và thậm chí cả một số đồng minh) bắt đầu phát triển các biện pháp đối phó để phát hiện và bắn hạ máy bay tàng hình, ví dụ phát triển các loại radar tinh vi hơn, có năng lực bắt được phổ tần số rộng hơn. Nga sử dụng các hệ thống radar dải tần số tương đối thấp, ví dụ Nebo-M. Hệ thống này phát ra các sóng có bước sóng dài, khiến máy bay tàng hình khó tránh được các xung radar hơn. Ví dụ, các máy bay tàng hình của Mỹ có thể bị radar Nebo-M phát hiện vì chúng được thiết kế để né tránh các bước sóng radar ngắn hơn.

Bước sóng là khoảng cách giữa hai đỉnh sóng liền kề trên một sóng (như sóng ánh sáng, âm thanh, hoặc sóng điện từ). Đơn vị đo thường là mét hoặc các bội số của nó như nanomet, micromet… Bước sóng dài có khoảng cách giữa hai đỉnh sóng lớn. Đặc điểm của bước sóng dài là tần số thấp, năng lượng thấp. Ví dụ sóng vô tuyến (radio waves) có bước sóng từ vài mét đến hàng nghìn mét.

Bước sóng ngắn là sóng có khoảng cách giữa hai đỉnh sóng nhỏ, chúng có đặc điểm là tần số cao, năng lượng cao, ví dụ tia X (X-rays) và tia gamma (gamma rays) có bước sóng rất ngắn, thường nhỏ hơn nanomet (1 nanomet=1/10.000.000 cm).

Mặc dù đều nhằm mục đích giúp máy bay chiến đấu trở nên vô hình trước radar đối phương nhưng công nghệ “áo tàng hình” của Trung Quốc và công nghệ ứng dụng trên máy bay tàng hình của Mỹ có những khác biệt.

Công nghệ áo tàng hình của Trung Quốc hoạt động dựa trên nguyên lý quang học và siêu vật liệu (metamaterials), tức là sử dụng các vật liệu có chỉ số khúc xạ âm (negative refractive index) giúp bẻ cong hoặc chuyển hướng ánh sáng để "che giấu" vật thể.

Trong khi đó, công nghệ tàng hình trên máy bay của Mỹ hoạt động dựa trên công nghệ hấp thụ và tán xạ sóng radar. Các máy bay tàng hình như F-22 Raptor hay F-35 Lightning II sử dụng thiết kế khí động học đặc biệt để giảm diện tích phản xạ radar. Vật liệu hấp thụ sóng radar được phủ lên bề mặt để tiêu tán năng lượng radar. Hình dạng góc cạnh của máy bay làm tán xạ sóng radar theo nhiều hướng khiến radar khó phát hiện.

Trong khi phát triển công nghệ tàng hình của riêng mình, Trung Quốc vẫn tìm cách phát triển các công nghệ chống tàng hình. Mới đây, Trung Quốc tuyên bố đã phát triển một hệ thống radar mới sử dụng hệ thống vệ tinh Bắc Đẩu của nước này để phát hiện các khúc xạ nhẹ từ các máy bay tàng hình bay qua. Theo tờ South China Morning Post, "sử dụng một ăng-ten thu đơn giản, radar này giúp tiết kiệm chi phí, có thể triển khai ở hầu hết mọi nơi trên trái đất và không phát ra tín hiệu có thể khiến nó bị lộ vị trí".

Theo nhận định của Pop Mech, kết hợp với các hệ thống radar tiên tiến, công nghệ tàng hình mới của Đại học Chiết Giang có thể mang lại cho Trung Quốc “lợi thế vô song” so với các đối thủ.

Trung Quốc đã tìm cách phát triển công nghệ tàng hình theo hướng khai thác các siêu vật liệu trong hơn một thập kỷ. Lưu Nhược Bằng, doanh nhân được mệnh danh là "Elon Musk của Trung Quốc", đã nghiên cứu các vật liệu tổng hợp này trong gần hai thập kỷ.

Đến năm 2011, các nhà khoa học tại Viện Công nghệ Tiên tiến Quang Khải ở Trung Quốc đã sản xuất hàng loạt siêu vật liệu chuyên dụng để sử dụng trong chương trình máy bay chiến đấu thế hệ thứ năm của Trung Quốc (J-35 và J-20 là hai máy bay chiến đấu thế hệ thứ năm của nước này).

Hai năm sau, các nhà khoa học tại Đại học Texas Austin (Mỹ) tuyên bố họ cũng đã tạo ra một chiếc “áo choàng tàng hình”. Nhưng nó chỉ được thiết kế để bảo vệ máy bay trước ánh sáng vi sóng. Năm 2016, các nhà khoa học Anh công bố phát minh ra công nghệ "áo choàng sóng bề mặt" có thể làm cho các bề mặt cong trông phẳng hơn khi tiếp xúc với sóng điện từ từ nhiều tần số, ngăn chúng phân tán và phản xạ lại sóng radar.

Vài năm sau, các nhà khoa học từ Mỹ và Canada đạt được bước đột phá lớn trong lĩnh vực siêu vật liệu: họ tạo ra một loại kim loại mới mang tính đột phá, là một bề mặt phẳng sử dụng các cấu trúc nano để điều khiển ánh sáng. Không giống như các thiết kế tàng hình trước đây, vật liệu này làm cho vật thể trở nên vô hình bằng cách bẻ cong các sóng từ toàn bộ quang phổ ánh sáng khả kiến (là một phần của phổ điện từ mà mắt người có thể nhìn thấy được). Bề mặt vật liệu mới được lấp đầy bằng các nano-fin titan (cấu trúc hoặc vật liệu titan được thiết kế ở cấp độ nano với các "vây" (fin) hoặc bề mặt dạng cấu trúc siêu nhỏ) có thể khéo léo dẫn hướng các sóng ánh sáng đi vào, bất kể bước sóng nào, thông qua các siêu vật liệu bẻ cong các sóng với độ chính xác cao.

Trong khi đó, quân đội Trung Quốc đã nỗ lực đưa áo tàng hình vào ứng dụng thực tiễn. Tính đến năm 2018, Viện Công nghệ Tiên tiến Quang Khải được nói là đã sản xuất hơn 9.000m2 vật liệu điện từ mỗi năm. Pop Mech dẫn lời các nhà phân tích quốc phòng Jeffrey Lin và P.W. Singer nhận định rằng những vật liệu này được tạo ra để chế tạo J-20, máy bay chiến đấu thế hệ thứ năm của Trung Quốc.

Nhóm nghiên cứu của Đại học Chiết Giang thiết kế áo tàng hình cho máy bay không người lái tốc độ cao, vì vậy họ phải đảm bảo rằng nó có thể che giấu một vật thể lớn, đang di chuyển trong mọi điều kiện thời tiết và mọi môi trường, dù là trong không khí, trong nước hay trên đất liền.

Các nhà khoa học Trung Quốc đã phải vượt qua những trở ngại đáng kể mà các thí nghiệm áo tàng hình trước đây gặp phải. Các nhóm nghiên cứu siêu vật liệu trước đó đã rất khó khăn trong việc uốn cong sóng điện từ một cách nhất quán để duy trì khả năng tàng hình. Lần này, các nhà nghiên cứu Trung Quốc phát triển một siêu vật liệu ba chiều mới để điều khiển sóng tới và đảm bảo rằng áo tàng hình vẫn vô hình trong mọi bối cảnh.

Siêu vật liệu kết hợp AI

Với sự trợ giúp của trí tuệ nhân tạo (AI), chiếc áo tàng hình có thể thích nghi với những điều kiện thay đổi như một con tắc kè hoa: các cảm biến trên bo mạch đo lường các yếu tố như tần số và vận tốc góc của sóng radar tới, sau đó AI xử lý thông tin này và chỉ đạo máy bay không người lái điều khiển các cấu trúc nhỏ trên bề mặt siêu vật liệu để dẫn sóng. Không giống như các khái niệm áo tàng hình khác, các nhà nghiên cứu cho biết về mặt lý thuyết, hệ thống thông minh này có thể hoạt động theo thời gian thực mà không cần sự can thiệp của con người.

Trong các thử nghiệm trong nhà mô phỏng môi trường trên đất liền, trên biển và trên không, cường độ trường điện (độ mạnh và hướng của trường điện tại một điểm) của máy bay không người lái được tàng hình trung bình giống khoảng 90% so với nền của nó. Điều này chỉ ra rằng nó có xu hướng hòa nhập tốt hơn đáng kể so với máy bay không người lái không có áo tàng hình, vốn chỉ giống tới 45% về cường độ trường điện so với môi trường nền và sự khác biệt này là yếu tố giúp radar hay các cảm biến phát hiện được máy bay.

Công nghệ áo tàng hình mới của Đại học Chiết Giang không phải không được áp dụng cho máy bay chiến đấu của Trung Quốc vì nó được dự định được ứng dụng (ít nhất là ban đầu) trên đội máy bay không người lái khổng lồ của Trung Quốc. Khả năng tàng hình một hay một bầy máy bay không người lái tạo ra một lợi thế lớn cho Trung Quốc trong bất kỳ cuộc xung đột nào có thể xảy ra với Mỹ hoặc các đồng minh của nước này ở khu vực Ấn Độ Dương - Thái Bình Dương.

Tuy nhiên, ở thời điểm hiện tại, mục tiêu đó có thể vẫn còn xa vời  bởi công nghệ áo tàng hình vẫn gặp phải một số thách thức, ví dụ khó khăn trong việc dẫn hướng chính xác các sóng radar tần số khác nhau.

Nhưng các nhà nghiên cứu trên khắp thế giới vẫn đang tiếp tục hoàn thiện công nghệ với mục tiêu tạo ra áo tàng hình có thể che giấu xe cộ, thiết bị và thậm chí cả con người trong bối cảnh chiến đấu. Rất có thể những công nghệ này sẽ khiến các nhà hoạch định quân sự phải viết lại các quy tắc của chiến tranh hiện đại.