Một cách tốt hơn để xoay buồm năng lượng mặt trời
Một hệ thống buồm năng lượng mặt trời composite tiên tiến đang được tung ra để thử nghiệm. Nguồn: NASA
Cánh buồm năng lượng mặt trời đại diện cho một trong những khái niệm thanh lịch nhất trong thám hiểm không gian: sử dụng chính ánh sáng mặt trời để đẩy tàu vũ trụ qua vũ trụ mà không cần bất kỳ nhiên liệu nào. Nhưng những gã khổng lồ mỏng, nhẹ này phải đối mặt với một thách thức kỹ thuật khó khăn đã gây khó khăn cho các sứ mệnh kể từ khi chúng ra đời; giữ quyền kiểm soát trong khi cưỡi gió mặt trời.
Cánh buồm năng lượng mặt trời hoạt động bằng cách bắt các photon từ mặt trời, giống như gió lấp đầy vải bạt của một con tàu buồm. Những tấm phản xạ siêu mỏng này có thể trải dài hàng chục mét và chỉ nặng vài kg, về mặt lý thuyết cung cấp lực đẩy không giới hạn cho các sứ mệnh không gian sâu. Tuy nhiên, kích thước khổng lồ của chúng so với khối lượng tạo ra một vấn đề về kiểm soát.
Hầu hết các tàu vũ trụ đều sử dụng bánh xe quay được gọi là bánh xe phản ứng để thay đổi hướng của chúng trong không gian. Hãy coi chúng như con quay hồi chuyển có thể nghiêng tàu vũ trụ theo bất kỳ hướng nào. Nhưng cánh buồm năng lượng mặt trời quá lớn và chịu những lực phức tạp từ ánh sáng mặt trời khiến các bánh xe phản ứng này nhanh chóng bị quá tải, quay ngày càng nhanh cho đến khi đạt đến giới hạn và không thể hoạt động nữa, một tình trạng được gọi là "bão hòa".
Khi điều này xảy ra, tàu vũ trụ mất kiểm soát, khiến việc chỉ hướng các thiết bị chính xác hoặc duy trì định hướng thích hợp trở nên bất khả thi. Các nhiệm vụ trước đây như LightSail 2 yêu cầu "xả xung lượng" hàng ngày bằng cách sử dụng các thanh mô-men xoắn từ tính để thiết lập lại các bánh xe phản ứng, hạn chế hiệu quả hoạt động của chúng.
Các nhà nghiên cứu từ Đại học New South Wales đã đề xuất một giải pháp tinh tế lấy cảm hứng từ nhiệm vụ IKAROS mang tính đột phá của Nhật Bản: Thiết bị kiểm soát phản xạ hay RCD. Về cơ bản, đây là những tấm gương điện tử có thể thay đổi cách chúng phản xạ ánh sáng mặt trời chỉ bằng một cú lật công tắc.
RCD là màng mỏng, linh hoạt được nhúng tinh thể lỏng, tương tự như màng trong màn hình máy tính xách tay. Khi có điện, chúng chuyển đổi giữa hai trạng thái: phản xạ cao (phản chiếu) và phản xạ khuếch tán (phân tán). Vì các kiểu phản xạ khác nhau tạo ra các lực khác nhau từ áp suất bức xạ mặt trời, nên các RCD được đặt ở vị trí chiến lược có thể tạo ra mô-men xoắn chính xác để giúp kiểm soát tư thế của tàu vũ trụ.
Nhóm nghiên cứu đã phát triển một chiến lược điều khiển thông minh luân phiên giữa hai chế độ hoạt động. Trong chế độ "hướng về Trái đất" thông thường, tàu vũ trụ sử dụng bánh xe phản ứng để hướng chính xác trong khi tiến hành quan sát khoa học. Khi bánh xe phản ứng đạt đến trạng thái bão hòa, tàu vũ trụ sẽ tự động chuyển sang chế độ "hướng về mặt trời".
Ở chế độ hướng về mặt trời, cánh buồm mặt trời quay để đối mặt trực tiếp với mặt trời, tối đa hóa hiệu quả của RCD. Sau đó, các gương điện tử hoạt động theo cặp, một số phản xạ mạnh, một số khác phản xạ khuếch tán, tạo ra sự mất cân bằng được kiểm soát trong áp suất mặt trời tạo ra mô-men xoắn chính xác cần thiết để làm chậm bánh xe phản ứng đang quay.
Thông qua các mô phỏng máy tính chi tiết sử dụng tàu vũ trụ tương tự như LightSail 2 trên quỹ đạo đồng bộ với mặt trời cách Trái đất 700 km, các nhà nghiên cứu đã chứng minh rằng RCD có thể ngăn chặn thành công tình trạng bão hòa bánh xe phản ứng. Nếu không có RCD, bánh xe phản ứng đạt đến giới hạn chỉ sau 48 giờ. Với RCD, hệ thống hoạt động trơn tru trong hơn một tuần, với các phiên giảm động lượng kéo dài khoảng 5 giờ và diễn ra khoảng hai ngày một lần.
RCD đã chứng minh được khả năng tạo ra mô-men xoắn lên đến 7,4 micro Newton mét, nhỏ nhưng đủ để chống lại sự tích tụ động lượng dần dần. Tàu vũ trụ có thể chuyển đổi giữa chế độ hướng Trái đất và hướng Mặt trời trong vòng 11 phút, duy trì hiệu quả hoạt động trong khi ngăn ngừa sự cố hệ thống điều khiển.
Có lẽ quan trọng nhất, RCD mang lại lợi thế cho các sứ mệnh không gian sâu mà các công cụ quản lý động lượng truyền thống như magnetorquers không thể hoạt động. Magnetorquers dựa vào từ trường của Trái đất, khiến chúng trở nên vô dụng khi ở ngoài phạm vi gần của hành tinh chúng ta. RCD, chỉ được cung cấp năng lượng bởi ánh sáng mặt trời, có thể cho phép kiểm soát thái độ chính xác cho các sứ mệnh buồm năng lượng mặt trời đến các tiểu hành tinh, các hành tinh khác hoặc thậm chí là không gian giữa các vì sao.
Công nghệ này cũng cung cấp sự đơn giản về mặt cơ học so với các giải pháp được đề xuất khác. Không giống như các hệ thống gimbal phức tạp hoặc khối lượng di chuyển, RCD không có bộ phận chuyển động và chỉ tăng trọng lượng tối thiểu cho tàu vũ trụ. Việc trình diễn thành công của chúng trên IKAROS chứng minh rằng chúng có thể hoạt động trong môi trường khắc nghiệt của không gian.
Trong khi hệ thống RCD hiện tại chỉ có thể điều khiển hai trong ba trục quay, đòi hỏi các hệ thống bổ sung để điều khiển ba trục hoàn chỉnh, nghiên cứu này chứng minh một con đường thực tế để giúp việc chèo thuyền năng lượng mặt trời trở nên đáng tin cậy và hiệu quả hơn. Sự đơn giản của phương pháp tiếp cận—về cơ bản là sơn thông minh có thể thay đổi độ phản xạ theo lệnh—có thể khiến cánh buồm năng lượng mặt trời trở nên hấp dẫn hơn đối với các sứ mệnh trong tương lai.
Khi các cơ quan vũ trụ và các công ty tư nhân ngày càng hướng tới hệ thống đẩy bền vững, không cần nhiên liệu cho hoạt động thám hiểm không gian sâu đầy tham vọng, RCD đại diện cho một bước đệm quan trọng để giúp việc chèo thuyền năng lượng mặt trời trở nên đáng tin cậy và thanh lịch. đôi khi những giải pháp tinh vi nhất cũng là những giải pháp đơn giản đẹp đẽ nhất.
Được cung cấp bởi Universe Today
