Sẽ ứng dụng bay lazer trong tương lai?

Từ khi anh em nhà Raith chế tạo thành công chiếc máy bay có động cơ đầu tiên bay lên không trung đến nay, tuyệt đại đa số máy bay và thiết bị bay từ lớn đến nhỏ đều sử dụng một loại năng lượng - chất dẫn xuất của dầu mỏ (năng lượng hóa học).

Leke Milabo, Giáo sư, thuộc Học viện Công nghệ Lunste, bang New York, Mỹ. Ông cũng là chuyên gia về lĩnh vực năng lượng định hướng, động lực cơ bản không gian, hệ thống hàng không vũ trụ (HKVT) và kỹ thuật đẩy tiên tiến. Cho đến nay, Milabo đã có hơn 30 năm theo đuổi công việc nghiên cứu liên quan tới thiết bị bay không sử dụng năng lượng đẩy hóa học mà sử dụng năng lượng đẩy lazer. Milabo đã sáng lập ra Công ty Kỹ thuật thiết bị bay Động lực quang ở bang Vermont, Mỹ.

Hiện nay công ty này đang hợp tác với Cơ quan Nghiên cứu khoa học kỹ thuật Brazil trong "nghiên cứu phát triển sử dụng lazer năng lượng cao mặt đất" - kỹ thuật mũi nhọn cung cấp nguồn năng lượng cho thiết bị bay hàng không tốc độ cao trên không trung.

Kỹ thuật động lực lazer đã sớm được nghiên cứu

Đầu thế kỷ XX đã có nhiều nhà viễn tưởng đưa ra ý tưởng sử dụng đèn pha để trợ giúp đẩy phi thuyền vũ trụ thăm dò vũ trụ. Những năm 60 của thế kỷ trước với bước tiến phi tốc của kỹ thuật chuyển đổi quang năng và sự nhảy vọt của kỹ thuật truyền dẫn lazer, việc nghiên cứu sử dụng lazer để đẩy thiết bị hàng không đã tiến những bước khởi đầu.

Kế hoạch "Đại chiến tinh cầu" của Mỹ những năm 80 thế kỷ trước đã từng thiết tưởng sử dụng thiết bị lazer mặt đất kích thích động cơ vệ tinh vũ trụ, khiến vệ tinh đạt được năng lượng lực biến đổi quỹ đạo liên tục trong không gian vũ trụ. Mỹ cũng đã từng thiết tưởng sử dụng thiết bị lazer xung mạch đơn, đẩy đầu đạn hạt nhân tốc độ cao để tấn công tên lửa đạn đạo đối phương trên quỹ đạo thấp. Tuy kế hoạch này cuối cùng bị hủy bỏ nhưng công việc nghiên cứu kỹ thuật động lực lazer vẫn tiếp tục.

Năm 2002, Trung tâm Nghiên cứu thiết bị bay Daleydon thuộc Cục HKVT Mỹ (Nasa) đã sử dụng kiểu đèn tập trung ánh sáng sân khấu (đèn tụ quang) làm mô hình thực nghiệm nguồn động lực ban đầu cho máy bay. Năm 2003, NASA bắt đầu nghiên cứu kiểu máy bay thực nghiệm kỹ thuật loại nhỏ đầu tiên trên thế giới sử dụng kỹ thuật đẩy lazer mặt đất.

Máy bay thực nghiệm kỹ thuật loại nhỏ này có sải cánh dài 1,5m, nặng 0,26kg, chế tạo bằng gỗ nhẹ. Nghiên cứu đã sử dụng thiết bị chiếu lazer cao năng để chiếu bám đuổi máy bay; nguồn năng lượng do lazer sản sinh được coi là động lực của máy bay. Khi tiến hành bay thực nghiệm trong phòng, lazer sẽ chiếu vào pin quang điện, sản sinh động lực kích hoạt cánh quạt chuyển động. Khi nguồn chiếu lazer đóng, máy bay bay tự do rồi rơi xuống.

Đầu thế kỷ XXI, Milabo và các cộng sự thuộc Công ty Kỹ thuật thiết bị bay Động lực quang đã nghiên cứu chế tạo loại thiết bị bay tiên tiến hơn - sử dụng kỹ thuật động cơ lazer. Nguyên lý cơ bản tạo ra động lực đẩy của nó là: Thiết bị bay được lắp đặt gương parapol thu và hội tụ chùm lazer chiếu vào, gia nhiệt làm nóng không khí (từ 9992-29982⁰C, so với nhiệt độ bề mặt mặt trời còn cao hơn vài lần); dưới tác động của nhiệt độ cao, không khí chuyển hóa thành trạng thái plasma và phát sinh nổ, đẩy thiết bị bay lên. Thiết bị bay khi phóng lên sẽ phun một luồng khí nén, khiến tốc độ quay cánh quạt động cơ lớn tới 10.000 vòng/phút. Do quay tốc độ cao đã khiến thiết bị bay trở nên rất nhẹ, và càng ổn định bay xuyên qua không khí. Thiết bị lazer công suất 10 KW, với tần suất phóng xung mạch 25-28 lần/giây; thông qua liên tục phóng xung mạch, đẩy thiết bị bay lên.

Theo Milabo nhận định, với kỹ thuật chuyển đổi quang điện, tạo động lực đẩy lazer công suất lớn tưởng như đơn giản, nhưng độ khó của bí quyết và thực hiện kỹ thuật này đang là thách thức ở mức độ rất cao, ông cho rằng: "Thông thường, một loại kỹ thuật đẩy kiểu mới đòi hỏi phải 20-25 năm mới có thể đi đến thành thục, và chỉ sau khi thành thục mới có thể đưa vào vận hành thương nghiệp".

Trở ngại về giá thành

Năm 1996, với sự hỗ trợ của FINDS (Quỹ Phát triển không gian quốc tế phi chính phủ), Công ty Kỹ thuật thiết  bị bay Động lực quang đã tiến hành một số lần thử nghiệm lazer đẩy một máy bay mẫu loại nhỏ tại bãi thử nghiệm Whithsha, bang New Mexico, Mỹ. Tháng 10/2000, với phương thức thử nghiệm sử dụng lazer gia nhiệt làm nóng không khí... họ đã thành công khiến một thiết bị bay nhỏ đường kính 12,2cm; trọng lượng 50gr bay lên độ cao 71m. Nguyên liệu chế tạo mô hình thiết bị bay thực nghiệm không phải là nhôm hàng không mà là silic cacbon hóa có độ bền nhiệt và tính kháng áp cao.

Được biết, hiện nay công việc thực nghiệm nghiên cứu cơ bản của lazer cao năng được tiến hành trong phòng thí nghiệm ở Brazil; tại đây có hang gió sóng địa chấn tốc độ "cực siêu âm" liên kết với hai máy lazer xung mạch hồng ngoại, công suất lớn nhất có thể đạt tới 1 triệu KW. Giáo sư Milabo cho biết, đây là nơi duy nhất có thể tiến hành thực nghiệm đẩy lazer có công suất lớn nhất hiện nay. Milabo còn cho biết, phương thức động lực mới này trong tương lai không chỉ sử dụng cho bay vũ trụ và vận chuyển quỹ đạo HKVT cự ly gần, mà còn có thể trợ giúp rất lớn trong ứng dụng kỹ thuật cao để phóng vệ tinh nano và vệ tinh siêu nhỏ vào quỹ đạo cận mặt đất.

Khi giải thích vì sao lại theo đuổi nghiên cứu thiết bị đẩy lazer và đưa nó vào lĩnh vực HKVT, Giáo sư Milabo nhận định: phương thức đẩy lazer so với phương thức đẩy nhờ năng lượng hóa học có nhiều ưu điểm nổi bật. Thông thường máy bay khi bay và tên lửa vũ trụ khi phóng lên đều phải mang theo nhiên liệu để bảo đảm cho động cơ máy bay và tên lửa hoạt động, chúng chiếm thể tích và trọng lượng rất lớn. Hiện nay các phi thuyền vũ trụ thường mang theo nhiên liệu chiếm hơn 60% tải trọng; nhiên liệu máy bay chở khách phải mang theo cũng tới trên 40% trọng lượng tự thân. Nếu sử dụng phương thức đẩy lazer, sẽ tiết kiệm giảm rất lớn thể tích và trọng tải, từ đó sẽ đáp ứng các yêu cầu khác nhất là vận chuyển thương nghiệp được nhiều hơn.

Mặt khác, biên độ công suất của động lực đẩy lazer so với động lực đẩy năng lượng hóa học cũng cao hơn, khiến tốc độ máy bay và tàu vũ trụ cũng nhanh hơn rất nhiều. Qua tính toán, các nhà khoa học "động lực quang" khẳng định rằng, trong tương lai, máy bay chở khách kiểu mới sử dụng hệ thống đẩy lazer có thể bay đến nơi xa nhất trên trái đất cũng chỉ trong thời gian không quá 1 giờ;  phi thuyền mặt trăng sử dụng hệ thống đẩy lazer từ trái đất bay đến mặt trăng chỉ mất 2,5 giờ.

Giáo sư Milabo còn cho biết, có thể thiết lập xa lộ lazer tốc độ cao, sử dụng cho hệ thống đẩy lazer đem tải trọng đặt vào quỹ đạo gần trái đất và đồng bộ địa cầu; nếu hạng mục nghiên cứu lớn này hoàn thành thì so với hiện nay con người có thể phóng vệ tinh và các tổ hợp không gian vào vũ trụ với tốc độ nhanh hơn, chi phí sẽ giảm rất nhiều.

Tiền cảnh rất lạc quan, nhưng Molabo cũng không phủ nhận phương thức đẩy có tính cách mạng này còn tồn tại những trở ngại lớn về kĩ thuật. Đầu tiên là gây nhiễu và sức cản của tầng khí quyển đối với lazer. Lazer là một loại ánh sáng kích thích nhân tạo có tính định hướng rất mạnh, năng lực xuyên qua tầng mây khí quyển tuy tương đối mạnh, nhưng tổn thất cũng rất lớn. Làm thế nào giảm tổn thất năng lượng của lazer truyền dẫn trong tầng khí quyển để đến được gương vòng cung của động cơ lazer, các nhà khoa học đã đưa ra nhiều giải pháp cải tiến thiết kế; nhưng tỉ lệ tổn thất năng lượng tính ra so với phương thức sử dụng năng lượng hóa học hiện tại vẫn còn có độ thua kém.

Mặt khác, với điều kiện kỹ thuật hiện có, giá thành thực hiện bay theo phương thức đẩy lazer quá cao, cho dù các nhà vật lý đã nỗ lực tìm mọi biện pháp để giảm giá thành một đơn vị công suất chiếu lazer. Nhưng giá thành phóng lazer và các hạng mục tương quan đồng bộ khác đã trở thành vấn đề chủ yếu nhất tạo nên giá thành sử dụng động lực lazer