Ứng Dụng Của LASER Trong Nghiên Cứu Vũ Trụ

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
KHOA VẬT LÝ

HV thực hiện: Phùng Văn Hưng
Mã số HV:
02 08 4403 02



NỘI DUNG
I. Sơ lược lịch sử phát triển laser
II.Những ứng dụng của laser trong nghiên cứu vũ trụ
1.
2.
3.
4.
5.
6.

Phóng tàu vũ trụ bằng tia laser
Năng lượng mặt trời từ vũ trụ.
Giải quyết vấn đề rác vũ trụ
Dùng tia laser lái chệch hướng thiên thạch
Đo khoảng cách trái đất - mặt trăng chính xác tới milimét
Cầu nối laser giữa các vệ tinh


Sơ lược lịch sử phát triển laser
Max Planck chứng minh
1900 thuyết lượng tử năng lượng

của ánh sáng
Albert Einstein đưa ra định đề
1916 về lý thuyết của bức xạ cưỡng
bức
Charles Townes, J.P.Gordon
và H.J.Zeiger chế tạo thành
công maser dạng xung
1953
N.Batsov và A.Prokhorov
chế tạo thành công maser liên
tục

Albert Einstein

Townes (trái) và Gordon (phải)
và maser amoniac do họ tạo ra tại
đại học Colombia

Prokhorov, Townes và
Basov tại giải Nobel 1964

Anthus Schawlow công bố
1958 phần lý thuyết về laser trên
tạp chí “Physical Review”
1960

Theodora Maiman chế tạo
thành công laser Rubi đầu tiên

Maiman và Laser ruby đầu tiên

Phóng tàu vũ trụ bằng tia laser
•Ý tưởng:
Tàu con thoi truyền thống phải mang theo hàng
tấn nhiên liệu và hai tên lửa đầy lớn.
 Ý tưởng sử dụng một chùm tia laser từ mặt
đất cung cấp năng lượng cho tàu vũ trụ hoạt động


Phóng tàu vũ trụ bằng tia laser
•Ý tưởng:
•Cấu tạo: gồm 4 phần
chính
Tia laser carbon dioxit: được chiếu từ mặt
đất đến tàu, cung cấp năng lượng cho tàu hoạt
động.
Gương parabole: Phần đáy của tàu vũ trụ là
một gương parabole để hội tụ chùm laser vào
khoang chứa không khí hay chất nổ đẩy trên
tàu.
Khoang hút thu: Không khí được hướng vào
trong khoang này; tại đây không khí bị đốt
nóng lên bởi chùm laser, giãn nở ra và đẩy con
tàu đi.
Hydro trên tàu: Một lượng nhỏ chất nổ đẩy
hydro được sử dụng để đẩy tàu khi khí quyển
quá loãng không thể cung cấp đủ không khí.

Phóng tàu vũ trụ bằng tia laser
•Ý tưởng:
•Cấu tạo:
•Nguyên tắc hoạt
động:
Xung laser (30ns) chiếu tới, phản
xạ trên mặt gương parabol, hộI tụ
vào khối khí hoặc chất nổ đẩy trong
khoang hút thu.
Ion hoá không khí hoặc chất nổ đẩy
tạo môi trường plasma (9ns)
Gia tốc electron và ion trong plasma
(21ns) làm tăng nhiệt độ (1000030000 độ C), giãn nở plasma, bán
kính Debye tăng lên rất nhanh (sóng
nổ hình thành) tạo ra xung lực đẩy
tàu về phía trước.


Phóng tàu vũ trụ bằng tia laser
•Ý tưởng:
•Cấu tạo:
•Nguyên tắc hoạt
động:
•Làm
Ưu điểm:
con tàu nhẹ hơn hàng nghìn
lần do không phải mang theo nhiên
liệu.
Không gây ô nhiễm vì khí thải là
không khí, hidro

Lực đẩy mạnh và xung lực riêng lớn
Động cơ đơn giản và đáng tin cậy
do ít bộ phận của động cơ chuyển
động


Phóng tàu vũ trụ bằng tia laser
•Ý tưởng:
•Cấu tạo:
•Nguyên tắc hoạt
động:
•Ưu điểm:
•Những vấn đề cần
tiếp
nghiên
cứu:làm gương phản xạ và khoang hút thu nhằm tránh
Lựatục
chọn
vật liệu
sự hao hụt vật liệu (cường độ laser giới hạn của nhôm là 59J/cm2 và
silic oxit là 310J/cm2)
Lựa chọn chất nổ đầy mang theo tàu (H2 hay He cộng với Li hay Cs)
Công suất của laser
Sự hấp thụ và biến dạng của tia laser đẩy khi xuyên qua khí quyển
Việc kết nối laser với thiết bị bay trong suốt quá trình bay


Phóng tàu vũ trụ bằng tia laser
•Ý tưởng:
•Cấu tạo:

•Nguyên tắc hoạt
động:
•Ưu điểm:
•Những vấn đề cần
tiếp tục nghiên cứu:
•Các
nghiệm: Technologies đã thử nghiệm một tàu nhẹ nguyên
Côngthử
ty Lightcraft
mẫu nhỏ tại bãi tên lửa White Sands ở bang New Mexico. Vào tháng
10/2000, con tàu nhẹ thu nhỏ, có đường kính 12,2cm và chỉ nặng 50g
đã đạt được độ cao 71m


Năng lượng mặt trời từ vũ trụ.
Khủng hoảng năng lượng toàn cầu và
ô nhiễm môi trường  hướng đến sử
dụng năng lượng mặt trời vì đây là
nguồn năng lượng sạch, vô tận.
Sử dụng các tấm pin mặt trời để biến
ánh áng mặt trời thành điện năng.
Năng lương mặt trời thu từ mặt đất bị
ảnh hưởng bởi hiện tượng ngày đêm,
mây, mưa,…  Hiệu suất không cao


Năng lượng mặt trời từ vũ trụ.
Người ta ước tính, trên mặt đất, 1m2 trung
bình chỉ nhận được 250W từ bức xạ mặt trời
trong khi trên không gian vũ trụ 1m2 nhận

được 1.366kW (hơn 5000 lần)
=> Peter Glaser đã đưa ra ý tưởng (năm
1968) dùng các dàn pin mặt trời gắn trên vệ
tinh ở quỹ đạo địa tĩnh (quỹ đạo có độ cao
36.000 km trên đường xích đạo) để thu thập
năng lượng mặt trời.


Năng lượng mặt trời từ vũ trụ.
Vấn đề đặt ra: chuyển năng lượng từ vệ tinh về
mặt đất.
Dùng vi sóng hoặc tia laser
Những khó khăn cần khắc phục:
-Kết nối chính xác chùm tia từ vệ tinh xuống
trạm thu trên mặt đất.
-Hiệu suất biến đổi năng lượng từ ánh sáng mặt
trời thành laser, vi sóng và từ laser, vi sóng thành
điện năng.
-Chi phí phóng vệ tinh lên quỹ đạo còn quá lớn
-Độ mở rộng của chúm laser, vi sóng từ vệ tinh
đến trái đất.
-Ảnh hưởng của chùm tia laser đến sức khoẻ con
người.
=> Đây là nguồn năng lượng chủ đạo trong tương lai.


Giải quyết vấn đề rác vũ trụ
Rác trên vũ trụ là gì?
•Các loại tên lửa đẩy và các vệ tinh hỏng
hoặc hết hạn sử dụng

•Các mảnh vỡ sau các vụ nổ của các
dụng cụ không gian
•Rác thải sinh hoạt của các con tàu vũ trụ
hoặc các trạm vũ trụ có người ở
•Những bu-lông, ốc-vít và cả các dụng cụ
bị các nhà du hành vũ trụ bỏ quên trong
những chuyến “đi dạo” trong không gian.


Giải quyết vấn đề rác vũ trụ
Rác trên vũ trụ là gì?
Số lượng (những vật quan sát được)
•Đường kính lớn hơn 10cm có gần 14.000 vật, trong số này, 950 vật
là các thiết bị vũ trụ đang hoạt động thuộc nhiều quốc gia khác nhau.
•Đường kính dưới 10cm khoảng 200.000 đến 250.000 vật
•Đường kính từ 0,1– 1cm có khoảng 70-80 triệu vật
•Các vật vi lượng vào khoảng 1013 đến 1014 vật.


Giải quyết vấn đề rác vũ trụ
Rác trên vũ trụ là gì?
Số lượng
Mối nguy hại
•Va chạm với các vệ tinh, các tàu vũ trụ, các phi hành gia ngoải
không gian
•Gây ô nhiễm phóng xạ không gian quanh trái đất, ảnh hưởng đến trái
đất, làm ô nhiễm bề mặt trái đất


Giải quyết vấn đề rác vũ trụ

Rác trên vũ trụ là gì?
Số lượng
Mối nguy hại
Phương án giải quyết
•Giảm số lượng thiết bị được phóng, đồng thời tăng tuổi thọ hoạt
động của chúng và sử dụng các vệ tinh đa năng.
•Các vệ tinh hết hạn sử dụng sẽ phải được có một kho lưu giữ nhiên
liệu để được đưa xuống tầng thấp hơn của khí quyển và đốt cháy, hoặc
đặt tại các quỹ đạo ít có vệ tinh. (ở độ cao 200-300km phía trên quỹ đạo
địa tĩnh.)
•Phát triển các dự án "quét" rác vũ trụ


Giải quyết vấn đề rác vũ trụ
Rác trên vũ trụ là gì?
Số lượng
Mối nguy hại
Phương án giải quyết
Các dự án "quét" rác vũ trụ
•Dùng tên lửa, được nạp đầy nước và động năng bổ sung, để bắn
những vật thể lớn trong số rác vũ trụ. tạo được vụ nổ có định hướng khi
va chạm, mà sau đó các mảnh vỡ sẽ bay về mặt đất và cháy hết trong
các tầng khí quyển.
•Dùng các máy laser từ mặt đất (với sự định hướng của rada) bắn phá
rác trên vũ trụ, làm chúng bay hơi hoàn toàn.


Dùng tia laser lái chệch hướng thiên thạch
Mối nguy hại từ thiên thạch
•Vừa di chuyển vừa xoay tròn trong

không gian theo một cách khó có thể dự
đoán
•Đường bay của chúng cũng có thể
thay đổi theo thời gian
Họat động của các thiên thạch rất
thất thường


Dùng tia laser lái chệch hướng thiên thạch
Mối nguy hại từ thiên thạch
Phát hiện và xác định đường bay của thiên thạch
•Dùng đài quan sát ra đa (phát hiện các thiên thạch ở khoảng cách
cách Trái đất khoảng 9 triệu dặm)
•Đang phát triển hệ thống vệ tinh dùng tia laser (phát hiện thiên
thạch ở khoảng cách lên đến 93 triệu dặm-khoảng một đơn vị thiên
văn)


Dùng tia laser lái chệch hướng thiên thạch
Mối nguy hại từ thiên thạch
Phát hiện và xác định đường bay của thiên
thạch
Phương án chống thiên thạch
•Một con tàu vũ trụ có mang hệ thống laser sẽ
được phóng lên để làm thay đổi đường bay của vật
thể đó. Hệ thống laser đó sẽ được đặt gần một tiểu
hành tinh và nó sẽ phát ra tia laser có xung động
ngắn trong khoảng thời gian 6 tháng. Điều đó đủ để
làm tiểu hành tinh đó di chuyển chệch ra khỏi quĩ
đạo có thể gây nguy hiểm cho Trái Đất.

•Phóng đầu đạn hạt nhân vào thiên thạch để phá
huỷ thiên thạch
•Đưa một nhóm nhà phi hành lên thiên thạch để
đặt chất nổ nhằm phá hủy nó


Đo khoảng cách trái đất - mặt trăng chính xác tới milimét!
Nguyên tắc:
•Từ một đài thiên văn ở bang New
Mexico (Mỹ), người ta gắn một máy
phóng laser với công suất cực lớn (1
Gigawatt). Mỗi giây nó phóng khoảng 20
chùm laser tới mặt trăng. Ở đó, tia laser
đươc phản xạ trở lại trái đất nhờ một
gương phản chiếu. Dựa vào thời gian đi về của các hạt photon ánh sáng, các nhà
khoa học tính ra khoảng cách giữa mặt
trăng và trái đất.
•Theo tính toán, trong số 30 triệu
photon được bắn lên mặt trăng, chỉ có
một hạt gặp được gương phản chiếu. Và
xác suất để hạt này có thể quay trở lại
trái đất cũng chỉ bằng một phần 30 triệu.

Chiếc gương phản chiếu này được lắp
đặt trên mặt trăng năm 1969, trong
chuyến thám hiểm của phi đoàn
Apollo.


Đo khoảng cách trái đất - mặt trăng chính xác tới milimét!

Nguyên tắc:
Ứng dụng:
•Kiểm nghiệm nguyên lý đồng nhất của Einstein. “Hai vật thể có cấu
tạo khác nhau, nhưng ở trong cùng một trường hấp dẫn, nó chịu tác
động của một gia tốc giống nhau.”
•Khám phá xem liệu trọng lượng của một vật có giảm đi khi vũ trụ
giãn nở hay không?


Cầu nối laser giữa các vệ tinh
Thử nghiệm
• Các nhà khoa học đã sử dụng hệ thống
laser có tên là SILEX (do Cơ quan Vũ trụ
châu Âu ESA và Cơ quan Vũ trụ Pháp
CNES triển khai) để nối vệ tinh Artemis (bay
ở quỹ đạo địa tĩnh, cách trái đất 31.000 km)
với vệ tinh thiên văn SPOT 4 (di chuyển với
tốc độ 7.000 m/s ở độ cao 832 km).
• Chùm laser có đường kính vài mét được
điều chỉnh tinh vi, cho phép SPOT 4 chuyển
lượng dữ liệu lớn với tốc độ 5 megabits
trong một giây tới Artemis.

Vệ tinh SPOT 4 ở quỹ đạo
cách trái đất 832 km.


Cầu nối laser giữa các vệ tinh
Thử nghiệm
Ưu điểm

• Đường truyền laser gọn hơn, chắc chắn hơn và cần ít năng lượng hơn
hệ thống thu - phát sóng vô tuyến.
• Rút ngắn thời gian truyền tin từ các vệ tinh ở quỹ đạo thấp xuống
mặt đất
• Đường truyền bằng laser cũng tỏ ra ổn định hơn rất nhiều