ứng dụng của laser trong không gian

Laser là ánh sáng có nhiều tính chất đặc biệt hơn hẳn ánh sáng tự nhiên hay nhân tạo khác và có những công dụng rất hữu ích có thể áp dụng trong rất nhiều lĩnh vực công nghiệp, y học, qu

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ

KHOA SƯ PHẠM

BỘ MÔN SƯ PHẠM VẬT LÝ

ỨNG DỤNG CỦA LASER TRONG KHÔNG GIAN

Luận văn Tốt nghiệp Ngành: SƯ PHẠM VẬT LÝ – CÔNG NGHỆ

GV hướng dẫn: Sinh viên : Hà Thanh Huyền ThS Lê Văn Nhạn Lớp: SP Vật Lý- Công Nghệ

Mã số SV: 1117590

Khóa: 37

Cần Thơ, 2015

LỜI CẢM TẠ

Trong suốt thời gian làm đề tài luận văn tốt nghiệp tôi đã gặp không ít khó khăn chính nhờ sự giúp đỡ của thầy cô, bạn bè và sự ủng hộ nhiệt tình từ phía gia đình về mặt tinh thần cũng như vật chất nên đến nay tôi đã hoàn thành đề tài

Đầu tiên tôi xin gửi lời cám ơn đến tất cả thầy cô trong khoa Sư Phạm Trường Đại học Cần Thơ đã truyền đạt những kiến thức, kinh nghiệm hết sức qúy báu để tôi cũng như các bạn sinh viên hoàn thành khóa học của mình

Tôi xin gửi lời cảm ơn đến thầy Lê Văn Nhạn – cán bộ hướng dẫn đã tận tình chỉ bảo, giúp đỡ tôi trong suốt quá trình nghiên cứu đề tài luận văn này

Xin gửi lời cám ơn đến anh chị khóa trươc đã giúp đỡ và tất cả các bạn lớp sư phạm Vật Lí – Công Nghệ khóa 37 đã luôn sát cánh bên tôi để cùng nhau vượt qua khó khăn, trở ngại trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu đề tài này

Cuối cùng con xin ghi lòng biết ơn sâu sắc đến cha mẹ, gia đình, những người đã luôn yêu thương và cho con niềm tin, động lực để con vững bước vượt qua mọi khó khăn trong quá trình học tập và đến khi hoàn tất luận văn này

Kính chúc tất cả sức khỏe, thành công và hạnh phúc trong cuộc sống

Cần Thơ, ngày tháng năm 2015 Sinh viên thực hiện

Hà Thanh Huyền

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu do chính tôi thực hiện Các số liệu,

kết quả phân tích trong luận văn là hoàn toàn trung thực và chưa từng được công bố trong

bất kỳ công trình nghiên cứu nào trước đây

Mọi tham khảo, trích dẫn đều được chỉ rõ nguồn trong danh mục tài liệu tham khảo

của luận văn

Cần Thơ, ngày tháng năm 2015

Sinh viên thực hiện

Hà Thanh Huyền

MỤC LỤC

MỞ DẦU 1

1.LÝDOCHỌNĐỀTÀI 1

2.MỤCĐÍCHCỦAĐỀTÀI 1

3.NHIỆMVỤNGHIÊNCỨU 1

4.ĐỐITƯỢNGNGHIÊNCỨU 1

5.PHẠMVINGHIÊNCỨU 1

6.PHƯƠNGPHÁPNGHIÊNCỨU 1

NỘI DUNG 2

CHƯƠNG1:TỔNGQUANVỀLASER 2

1.1 Khái niệm 2

1.2 Lịch sử nghiên cứu laser 2

1.3 Phân loại laser 3

1.3.1 Laser chất rắn 3

1.3.2 Laser chất khí 3

1.3.3 Laser chất lỏng 4

1.3.4 Laser bán dẫn 4

1.4 Cơ chế phát laser 4

1.5 Cấu tạo máy phát laser 5

1.6 Đặc điểm của chùm tia laser 6

1.6.1 Tính chất vật lý 6

1.6.2 Tính chất sinh học 7

1.7 Chế độ hoạt động của laser 8

1.7.1 Chế độ phát liên tục 8

1.7.2 Chế độ phát xung 8

CHƯƠNG2:CƠSỞLÝTHUYẾTVỀLASER 10

2.1 Quá trình hấp thụ, phát xạ tự phát và phát xạ cưỡng bức theo quan điểm lượng tử 10

2.1.1 Quá trình hấp thụ 11

2.1.2 Quá trình phát xạ tự phát 12

2.1.3 Quá trình phát xạ cưỡng bức 12

2.2 Hiện tượng khuếch đại 14

2.3 Sự nghịch đảo mật độ 15

2.4 Ngưỡng phát 15

CHƯƠNG3:MỘTSỐỨNGDỤNGLASERTRONGKHÔNGGIAN 16

3.1 Phóng tàu vũ trụ bằng tia laser 16

3.1.1 Ý tưởng 16

3.2 Tia laser giúp truyền tải năng lượng Mặt Trời từ vũ trụ về Trái Đất 20

3.2.1 Vai trò của nguồn năng lượng Mặt Trời 20

3.2.2 Ý tưởng và những thử nghiệm về thu và truyền tải năng lượng Mặt Trời từ vũ trụ về Trái Đất 21

3.2.3 Cấu tạo của hệ thống 24

3.2.4 Ưu điểm, nhược điểm 25

3.2.5 Tầm quan trọng của phương pháp này 25

3.7.1 Nghiên cứu về thiên thể lạ trong vũ trụ 38

3.7.2 Nghiên cứu lõi của Trái Đất 39

3.7.3 Sử dụng trong quan sát thiên văn 39

KẾT LUẬN 49

TÀI LIỆU THAM KHẢO 50

MỞ DẦU 1.LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI

Ra đời vào khoảng giữa thế kỷ XX, Laser là một nguồn phát ánh sáng có những ứng dụng ngày càng nhiều trong cuộc sống hàng ngày của chúng ta Nó là nguồn ánh sáng nhân tạo thu được nhờ sự khuếch đại ánh sáng bằng bức xạ phát ra khi kích hoạt cao nồng độ các phần tử của một môi trường vật chất tương ứng Laser là ánh sáng có nhiều tính chất đặc biệt hơn hẳn ánh sáng tự nhiên hay nhân tạo khác và có những công dụng rất hữu ích có thể áp dụng trong rất nhiều lĩnh vực công nghiệp, y học, quân sự, thiết bị điện tử gia dụng… và trong những năm gần đây, các nhà khoa học bắt đầu chú ý đến việc tìm kiếm những ứng dụng của laser vào việc nghiên cứu vũ trụ một trong những ứng dụng mới hiện nay được nhiều nhà khoa học trên thế giới quan tâm nhất Với hướng nghiên cứu mới này thì công nghệ laser sẽ mở ra cho con người những hiểu biết về vũ trụ, đến với những nguồn năng lượng mới trong vũ trụ hứa hẹn

sẽ đáp ứng nhu cầu năng lượng toàn cầu, giải quyết vấn đề rác vũ trụ, lái lệch hướng thiên thạch và nhiều vấn đề mang tính cấp bách của thời đại Đó là những lý do mà đề

tài “Ứng dụng của laser trong không gian” cần được tiến hành nghiên cứu

2 MỤC ĐÍCH CỦA ĐỀ TÀI

- Tìm hiểu tổng quan, cơ sở lý thuyết về Laser

- Tìm hiểu những ứng dụng Laser trong không gian

-Nhưng nghiên cứu mới về không gian sử dụng Laser

3 NHIỆM VỤ NGHIÊN CỨU

- Nghiên cứu các cơ sở lý thuyết về Laser

- Thu thập tài liệu từ sách và internet

- Tổng hợp, phân tích, so sánh các tài liệu thu thập được

4 ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU

- Tổng quan về laser: khái niệm, lịch sử nghiên cứu laser, cơ chế phát laser, cấu tạo của máy phát laser, đặc điểm của chùm tia laser

- Cơ sở lý thuyết về laser

- Ứng dụng của laser trong không gian

5 PHẠM VI NGHIÊN CỨU

Nghiên cứu một cách tổng quan về laser, cơ sở lý thuyết về laser, và những ứng dụng của laser trong nghiên cứu thiên văn hiện nay và trong tương lai

6 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

- Thu thập tài liệu

- Tổng hợp, xử lý, khái quát, phân tích tài liệu thu được

- Nghiên cứu cơ sở lý thuyết, cơ sở lý luận của đề tài

Vậy laser là một nguồn sáng phát ra một chùm sáng cường độ lớn dựa trên việc ứng dụng hiện tượng phát xạ cảm ứng Laser là ánh sáng có nhiều tính chất đặc biệt hơn hẳn ánh sáng tự nhiên hay nhân tạo khác và có những công dụng rất hữu ích có thể áp dụng trong rất nhiều lĩnh vực khoa học kỹ thuật và đời sống, tạo nên cả một cuộc cách mạng khoa học kỹ thuật sau khi nó ra đời

1.2 Lịch sử nghiên cứu laser

Năm 1900 Max Planck là người đầu tiên chứng minh rằng năng lượng của sóng điện từ được diễn tả như những gói rời rạc gọi là lượng tử, có giá trị năng lượng tương ứng với tần số của sóng Năm 1905, Albert Einstein đã phát triển giả thuyết của Planck lên một bước và đề xuất thuyết lượng tử ánh sáng

Năm 1917, Albert Einstein đã đưa ra những ý tưởng cơ bản về phát xạ cưỡng bức Tạo nền tảng cho những nghiên cứu về laser sau này

Năm 1954 những công trình đầu tiên về maser (Microwave Amplification by Stimulated Emisson of radiation) nghĩa là khuếch đại vi sóng bằng phát xạ cưỡng bức được công bố, đó là kết quả nghiên cứu đồng thời và độc lập tiến hành bởi Townes, cộng

sự ở đại học Colombia và Basov, Prokhorov ở viện Lebedev

Năm 1958, Townes và đồng sự của ông Arthur Schawlow đã xuất bản tạp chí khoa học và đăng ký bằng sáng chế và cho rằng “MASER quang học” có thể được sử dụng để tạo ra tia hồng ngoại và thậm chí ánh sáng nhìn thấy được Trong khi đó Bloembergen đã phát triển ngành quang phi tuyến, cũng là một ứng dụng đặc biệt của quang phổ laser Dựa theo ấn bản của Townes và Schawlow năm 1958, Theodore Maiman, làm việc tại trung tâm nghiên cứu Hughes, đã tạo ra máy laser đầu tiên Ông công bố kết quả đạt được này tại buổi họp báo tại New York City vào tháng 7 năm 1960

Năm 1960 Laser Ruby của Maiman phát ra các xung ánh sáng đỏ kết hợp cường độ mạnh có bước sóng 694 nm, trong một chùm hẹp có mức độ định hướng cao

Năm 1961 đã có laser liên tục là laser cũng phát ra ánh sáng ở miền đỏ, đó là laser

Năm 1963 Alferov và Kroemer, đã nêu ra nguyên lý cho việc dùng cấu trúc dị tính của chất bán dẫn để phát laser

1.3 Phân loại laser

Hoạt chất có hai thành phần: chất nền và chất kích hoạt

Chất nền là chất không tham gia trực tiếp vào những quá trình tạo bức xạ laser chất nền là thuỷ tinh Ba hoặc một số loại thuỷ tinh khác Trong chất nền có chứa các nguyên tử hoặc ion của chất kích hoạt

Chất kích hoạt, thường có tỉ lệ rất nhỏ chỉ khoảng vài phần trăm so với chất nền thường dùng là những nguyên tố hiếm như Crôm, Urani, trong laser thuỷ tinh, chất kích hoạt thường dùng là Neodym

Một số loại laser chất rắn thông dụng:

- YAG-Neodym: hoạt chất là Yttrium Aluminium Garnet (YAG) cộng thêm 2-5% Neodym, có bước sóng 1060 nm thuộc phổ hồng ngoại gần Có thể phát liên tục tới 100W hoặc phát xung với tần số 1000-10000 Hz

- Hồng ngọc (Rubi): hoạt chất là tinh thể Alluminium có gắn những ion chrom, có bước sóng 694,3 nm thuộc vùng đỏ của ánh sáng trắng

Đặc điểm của Laser rắn:

- Laser rắn là loại laser mà môi trường hoạt tính của nó là chất rắn Chất rắn có thể

là đơn tinh thể, hoặc chất vô định hình (thủy tinh) Trong laser rắn, nghịch đảo nồng độ thường được thực hiện ở những mức năng lượng của nguyên từ hoặc ion của tạp chất

- Để tạo nghịch đảo nồng độ trong laser rắn, người ta dùng bơm quang học, là phương pháp chiếu ánh sáng của phổ hấp thụ cực đại vào thanh hoạt chất để tạo tích luỹ chủ yếu cho mức laser trên và do đó tạo nồng độ đảo lộn

1.3.2 Laser chất khí

Laser khí có môi trường hoạt chất ở thể khí Một số loại laser chất khí thông dụng: -He-Ne: hoạt chất là khí Heli và Neon, có bước sóng 632,8 nm thuộc phổ ánh sáng

đỏ trong vùng nhìn thấy, công suất nhỏ từ một đến vài chục mW

-Argon: hoạt chất là khí argon, bước sóng 488 và 514,5 nm

-CO2: bước sóng 10,6 µm thuộc phổ hồng ngoại xa, công suất phát xạ có thể tới megawatt (MW)

Đặc điểm của Laser khí:

-Nghịch đảo độ tích lũy là trạng thái khích thích nguyên tử hoặc phân tử

-Do mật độ hạt và áp suất thấp nên tương tác it, vạch phổ bức xạ hẹp chỉ cỡ 1Hz và hẹp nhất trong các loại Laser

- Môi trường hoạt tính là khí trung hòa, có thể là plasma khí phóng điện

- Độ rộng vạch phổ hẹp

- Laser khí có chùm bức xạ định hướng cao và độ đơn sắc lớn

- Máy phát Laser khí có kích thước lớn

1.3.3 Laser chất lỏng

Laser lỏng có môi trường hoạt chất ở thể lỏng, người ta phân laser lỏng ra làm ba loại:

- Laser chelate hữu cơ – đất hiếm

- Laser vô cơ oxyd chloride – neodym – selen

- Laser màu

thông dụng nhất là laser màu Laser màu Có thể điều chỉnh được tần số hay là bước sóng phát của laser bằng cách thay đổi nồng độ dung dịch hoặc dung môi trong môi trường hoạt tính Vì vậy laser màu phát ra bức xạ từ tử ngoại gần đến khả kiến đến hồng ngoại gần Có hệ số khuếch đại rất lớn so với laser rắn, khí cũng như dễ chế tạo và thay đổi các thành phần trong môi trường hoạt tính Vì vậy rất thuận lợi cho việc nghiên cứu

Độ định hướng cao: tia laser phát ra hầu như là chùm tia song song do đó có khả năng chiếu xa mà không bị phân tán Tính đơn sắc cao: chùm sáng chỉ có một màu (một bước sóng) duy nhất Do vậy chùm laser không bị tán xạ khi đi qua mặt phân cách hai môi trường có chiết suất khác nhau

1.3.4 Laser bán dẫn

Trong truyền thông người ta dùng các xung ánh sáng của laser bán dẫn để truyền trong môi trường truyền thông là sợi quang học Laser bán dẫn luôn đi cùng với sự phát triển của sợi quang học

- Ở mức năng lượng cao, một số electron sẽ rơi ngẫu nhiên xuống mức năng lượng thấp, giải phóng hạt ánh sáng được gọi là photon

- Các hạt photon này sẽ toả ra nhiều hướng khác nhau từ một nguyên tử, tương tác các nguyên tử khác, kích thích eletron ở các nguyên tử này rơi xuống tiếp, sinh thêm các photon cùng tần số, cùng pha và cùng hướng bay, tạo nên một phản ứng dây chuyền khuếch đại dòng ánh sáng

- Các hạt photon bị phản xạ qua lại nhiều lần trong vật liệu, nhờ các gương trong buồng cộng hưởng để tăng hiệu suất khuếch đại ánh sáng, các tia không song song với trục gương sau vài lần phản xạ sẽ thoát ra khí môi trường hoạt chất

- Một số photon ra ngoài nhờ có gương bán mạ tại một đầu của vật liệu Tia sáng đi

ra chính là tia laser

1.5 Cấu tạo máy phát laser

Nguyên lý cấu tạo chung của một máy laser gồm ba bộ phận chính: buồng cộng hưởng chứa hoạt chất laser, nguồn nuôi và hệ thống dẫn quang Trong đó buồng cộng

hưởng với hoạt chất laser là bộ phận chủ yếu

Buồng cộng hưởng chứa hoạt chất laser, đó là một chất đặc biệt có khả năng khuếch đại ánh sáng bằng phát xạ cưỡng bức để tạo ra laser Khi 1 photon tới va chạm vào hoạt chất này thì kéo theo đó là 1 photon khác bật ra bay theo cùng hướng với photon tới Mặt khác buồng cộng hưởng có 2 hai gương phản xạ ở hai đầu, một mặt phản xạ toàn phần các photon khi bay tới, mặt kia cho một phần photon truyền qua một phần phản xạ lại làm cho các hạt photon va chạm liên tục vào hoạt chất laser nhiều lần tạo mật độ photon lớn Vai trò chính của buồng cộng hưởng là làm cho bức xạ do hoạt chất phát ra có thể đi

Hình 1: Cấu tạo cơ bản và cơ chế hoạt động của laser

lại nhiều lần qua hoạt chất để được khuếch đại lên Hai gương phản xạ có thể để xa hoạt

chất hay gắn chặt với nó

Hoạt chất laser: Là các môi trường vật chất có khả năng khuếch đại ánh sáng đi qua

nó khi được kích hoạt bằng một nguồn năng lượng Nhiều chất khí, lỏng, rắn, bán dẫn….được dùng làm hoạt chất laser

Nguồn nuôi: Là nguồn cung cấp năng lượng để duy trì hoạt động của môi trường hoạt chất laser

1.6 Đặc điểm của chùm tia laser

độ rộng vạch của chùm, khi độ rộng vạch của chùm bằng không thì chùm có độ đơn sắc cao nhất

Tính chất này rất quan trọng vì hiệu quả tác dụng của laser khi tương tác với vật chất, với các tổ chức sinh học phụ thuộc vào độ đơn sắc này Do vậy chùm laser ít bị tán sắc (hầu như không) khi đi qua mặt phân cách của hai môi trường có chiết suất khác nhau Đây là tính chất đặc biệt nhất mà không nguồn sáng nào có

Ngoài ra, ánh sáng đơn sắc không bị ảnh hưởng bởi sắc sai ở các hệ thấu kính Do

đó, ánh sáng đơn sắc có thể được hội tụ vào một tiêu điểm nhỏ hơn nhiều so với ánh sáng trắng

Laser có công suất thấp nhất là laser He – Ne cũng có độ chói gấp hàng vạn lần độ chói của ánh sáng mặt trời những laser có công suất lớn có độ chói cao gấp hàng triệu

bộ năng lượng ánh sáng thành một điểm nhỏ nhờ hệ vô tiêu

-Tính đồng pha

Nghĩa là toàn bộ năng lượng được truyền từ nguồn đều cùng pha, là thuật ngữ gắn

bó nhất với laser Ánh sáng laser chiếu lên một mặt thô sinh ra một hình ảnh lấp lánh đặc trưng gọi là đốm laser (laser speckle) Hiện tượng này là do sự phản xạ không đều của ánh sáng đồng pha cao tạo ra những hình (hoặc đốm) giao thoa không đều

-Phân cực

Nhiều loại laser phát ánh sáng phân cực thẳng Phân cực là một khía cạnh khác của tính đồng pha Tính phân cực trong hệ thống laser cho phép ánh sáng truyền tối đa trong môi trường laser mà không bị mất mát do phản xạ

f) Tính kết hợp của laser

Một bức xạ laser bất kỳ đều có tính kết hợp biểu hiện ở độ đơn sắc (kết hợp thời gian)và tính đẳng pha của mặt sóng (kết hợp không gian) Các laser hoạt động ở chế độ đơn mode dọc hay ngang được biểu hiện trong các sóng đơn sắc và đẳng pha nên chúng

có bậc kết hợp không gian - thời gian cao, một cách tự động

Tính kết hợp thời gian liên hệ chặt chẽ với độ đơn sắc của sóng laser vì chỉ có những sóng đơn sắc mới cho được hình ảnh giao thoa rõ ràng khi xuất phát từ cùng một nguồn

Tính kết hợp không gian cũng được thấy trong hình ảnh giao thoa khi sóng xuất phát từ hai điểm khác nhau Nói cách khác nó được biểu hiện trong hiện tượng giao thoa của khe Young

g) Công suất của laser

Tùy loại laser mà có nguồn sáng công suất khác nhau Có những loại laser công suất mạnh tương đương công suất 1 vạn nhà máy điện 1 triệu KW Những nguồn laser công suất mạnh có thể sử dụng trong công nghiệp nặng như khoan cắt vật liệu, hay chế tạo các loại vũ khí, khí tài quân sự

Các loại laser sử dụng trong y học là những laser có công suất thấp như laser He –

Ne công suất chỉ khoảng từ 2mW đến 10mW

1.6.2 Tính chất sinh học

a) Hiệu ứng kích thích sinh học

Thường xảy ra với laser công suất thấp cỡ mW, tác động lên các đặc tính sống như: quá trình sinh tổng hợp protein, quá trình tích luỹ sinh khối, quá trình hô hấp tế bào Làm gia tăng quá trình phân bào, thay đổi hoạt tính men, thay đổi tính thấm màng tế bào, tăng

miễn dịch không đặc hiệu…

Tác dụng của laser lên cơ thể sống chia làm hai loại:

- Phản ứng nhanh (hay trực tiếp) là tác dụng ngay sau khi chiếu laser, biểu hiện là

- Công suất cao, thời gian ngắn: làm bay hơi tổ chức sinh học (gọi là hiệu ứng bay hơi tổ chức) là cơ sở của dao mổ laser với nhiều ưu điểm trong phẫu thuật

c) Hiệu ứng quang ion

Hiệu ứng quang ion còn gọi là hiệu ứng quang cơ vì quang năng của laser biến thành cơ năng để bóc lớp (không có tác động nhiệt) hay phá sỏi với xung cực ngắn, công suất đỉnh cực cao

1.7 Chế độ hoạt động của laser

Laser có thể được cấu tạo để hoạt động ở trạng thái bức xạ sóng liên tục (hay CW - continuous wave) hay bức xạ xung (pulsed operation) Điều này dẫn đến những khác biệt

cơ bản khi xây dựng hệ laser cho những ứng dụng khác nhau

1.7.1 Chế độ phát liên tục

Trong chế độ phát liên tục, công suất của một laser tương đối không đổi so với thời gian Sự đảo nghịch mật độ (electron) cần thiết cho hoạt động laser được duy trì liên tục bởi nguồn bơm năng lượng đều đặn

1.7.2 Chế độ phát xung

Trong chế độ phát xung, công suất laser luôn thay đổi so với thời gian, với đặc trưng là các giai đoạn “đóng” và “ngắt” cho phép tập trung năng lượng cao nhất có thể trong một thời gian ngắn nhất có thể Các dao laser là một ví dụ, với năng lượng đủ để cung cấp một nhiệt lượng cần thiết, chúng có thể làm bốc hơi một lượng nhỏ vật chất trên

bề mặt mẫu vật trong thời gian rất ngắn Tuy nhiên, nếu cùng năng lượng như vậy nhưng tiếp xúc với mẫu vật trong thời gian dài hơn thì nhiệt lượng sẽ có thời gian để xuyên sâu

vào trong mẫu vật do đó phần vật chất bị bốc hơi sẽ ít hơn Có rất nhiều phương pháp để đạt được điều này, như:

- Phương pháp chuyển mạch Q (Q-switching)

- Phương pháp kiểu khoá (modelocking)

- Phương pháp bơm xung (pulsed pumping)

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ LASER

2.1 Quá trình hấp thụ, phát xạ tự phát và phát xạ cưỡng bức theo quan điểm lượng

tử

Năm 1917 để dẫn ra công thức bức xạ Planck Einstein giả thiết rằng, khi có tương tác giữa ánh sáng với các nguyên tử thì cùng với sự hấp thụ một lượng tử ánh sáng, còn xảy ra hai loại bức xạ khác: đó là bức xạ tự phát và bức xạ cưỡng bức một lượng tử ánh sáng được gây ra bởi một lượng tử ánh sáng khác trong nguyên tử đã được khích thích.Electron trong nguyên tử không phân bố đều mà xếp theo từng lớp, mỗi lớp chỉ có thể có tối đa một số electron nhất định Mỗi lớp tương ứng với mỗi mức năng lượng riêng biệt Các mức năng lượng tương ứng với các quỹ đạo riêng biệt của electron xung quanh hạt nhân Electron ở bên ngoài sẽ có mức năng lượng cao hơn những electron ở phía bên trong Khi có sự tác động vật lý hay hóa học bên ngoài, các hạt electron này cũng có thể nhảy từ mức năng lượng thấp lên mức năng lượng cao hay ngược lại Các quá trình này

có thể sinh ra hấp thụ hay phát xạ các lượng tử ánh sáng, bước sóng (hay màu sắc) của tia sáng phụ thuộc vào sự chênh lệch năng lượng giữa các mức

Giả sử ta có một tập hợp các nguyên tử hoặc phân tử với hai mức năng lượng, trong

đó một mức gọi là mức 1 tương ứng với năng lượng là E1 còn mức kia gọi là mức 2 tương ứng với năng lượng là E2 (E2 > E1) Mật độ cư trú trên các mức đó được xác định

là N1 và N2 Theo định luật phân bố Boltzmann thì:

KT E

e N N

1

.0 1

2.0 2

Planck, v là tần số của photon chiếu vào) có mật độ photon  chiếu vào tập hợp các nguyên tử đó thì các quá trình sau đây sẽ xảy ra

2.1.1 Quá trình hấp thụ

Quá trình hấp thụ là quá trình khi có tác động của trường ánh sáng ngoài, hạt tương tác với photon có thể hấp thụ photon và dịch chuyển sang trạng thái ứng với mức năng lượng cao hơn

Năm 1943 Bohr đề xuất: mỗi nguyên tử bất kỳ gồm một hạt nhân và các điện tử quay theo các quỹ đạo nhất định xung quanh hạt nhân Mỗi quỹ đạo tương ứng với một mức năng lượng khác nhau Hạt ở mức năng lượng E1, khi được cung cấp một nguồn năng lượng hv , chúng sẽ hấp thụ và có sự dịch chuyển lên các mức năng lượng E2 với năng lượng mà nó nhận được (từ mức thấp E1 lên mức E2) Năng lượng photon khi đó

phải bằng hiệu hai mức năng lượng của dịch chuyển

hvE2 E1

(2.3) Quá trình hấp thụ được mô tả như sau :

A*+hvA* *

(2.4) với : A* là hạt ở trạng thái kích thích thấp,

A** là hạt ở trạng thái kích thích cao hơn,

hvlà năng lượng của photon kích thích

Xác suất hấp thụ khi hạt dịch chuyển từ mức 1 lên mức 2 trên một đơn vị thời gian được tính như sau :

B12 là hệ số Einstein của dịch chuyển hấp thụ

Hình 2.2: Quá trình hấp thụ

 là mật độ photon chiếu vào

Quá trình hấp thụ khác quá trình tự phát không chỉ về năng lượng mà còn ở chỗ nó phụ thuộc vào tác động bên ngoài Nếu mật độ photon càng lớn thì số hoạt động hấp thụ trong môi trường sẽ xảy ra mạnh hơn

Theo Einstein, cũng sẽ có được phát xạ cưỡng bức (hay kích thích), nếu một nguyên

tử đang ở trong trạng thái kích thích, sẵn sàng phát ra một photon có năng lượng  hv ,

bắt gặp một photon có năng lượng ε′ đúng bằng ε = hv , bay lướt qua nó, thì lập tức nguyên tử này cũng phát ra photon ε Photon ε có cùng năng lượng và bay cùng phương với photon ε'

Hình 2.4: Hai photon 𝛆 𝐯à 𝛆′ Ngoài ra, sóng điện từ ứng với photon này hoàn toàn cùng pha và dao động trong một mặt phẳng song song với mặt phẳng dao động của sóng điện từ ứng với photon ' Khi một photon thích hợp bay qua một nguyên tử ở trạng thái kích thích thì do hiện tượng phát xạ cảm ứng sẽ xuất hiện hai photon như nhau bay cùng phương Hai photon này bay qua 2 nguyên tử trong trạng thái kích thích sẽ xuất hiện 4 photon giống nhau bay cùng phương… Do đó số photon tăng theo cấp số nhân

Hình 2.3: Phát xạ tự phát

Hình 2.5: Photon tăng theo cấp số nhân

Vậy quá trình phát xạ cưỡng bức là quá trình khi có tác động của photon có năng lượng , các hạt đang ở mức kích thích bị cưỡng bức nhảy về mức cơ bản sớm hơn Cùng với sự dịch chuyển này sẽ phát ra photon cũng có năng lượng  có tính chất giống hệt với phonton đã cưỡng bức hạt nhảy xuống mức thấp Hiện tượng phát xạ cưỡng bức mang tính chất khuếch đại theo phản ứng dây chuyền : 1 sinh ra 2, 2 sinh ra 4

A** là hạt ở trạng thái kích thích cao hơn,

(hv )1 là năng lượng của photon sơ cấp (kích thích),

(hv )2 là năng lượng của photon thứ cấp

Einstein chứng minh được rằng trong trạng thái cân bằng nhiệt động, số photon bị hấp thụ và số photon được phát xạ bằng nhau:

B21  B12 (2.8)

Vấn đề quan trọng nhất trong việc tạo được phát xạ laser cưỡng bức là dưới những điều kiện cân bằng nhiệt động lực học bình thường số hạt ở mỗi mức năng lượng, không thuận lợi cho sự phát xạ cưỡng bức Do các nguyên tử và phân tử có xu hướng tự rơi xuống các mức năng lượng thấp hơn nên số nguyên tử hay phân tử ở mỗi mức sẽ giảm khi năng lượng tăng Muốn duy trì cơ chế phát xạ cưỡng bức thì phải có số nguyên tử ở trạng thái kích thích nhiều hơn số nguyên tử ở trạng thái năng lượng thấp hơn, sao cho các photon phát xạ có khả năng gây kích thích phát xạ nhiều hơn là bị hấp thụ Đây chính

là nghịch đảo trạng thái cân bằng ban đầu nên nó được gọi là sự nghịch đảo mật độ

2.2 Hiện tượng khuếch đại

Với quá trình phát xạ cưỡng bức thì photon tăng theo cấp số nhân Muốn duy trì quá trình phát xạ cưỡng bức ta phải làm cho số nguyên tử ở trạng thái năng lượng cao hơn nhiều hơn số nguyên tử ở trạng thái năng lượng thấp hơn Lúc đó phát xạ cưỡng bức sẽ lấn át và ta thu được dòng thác photon Photon phát xạ ban đầu sẽ kích thích sự phát xạ của nhiều photon hơn, những photon này sau đó lại kích thích sự phát xạ ra nhiều photon hơn nữa, và cứ thế tiếp diễn Kết quả là dòng thác photon tăng lên với số lượng lớn ta gọi đây là hiện tượng khuếch đại ánh sáng

Hình 2.7: Khuếch đại ánh sáng

Giả sử có hệ nguyên tử, phân tử hai mức năng lượng với số nguyên tử nằm ở mức năng lượng cao lớn hơn số nguyên tử nằm ở mức năng lượng thấp (N2>N1) Tức hệ nguyên tử, phân tử đang ở môi trường nghịch đảo mật độ cư trú Nếu ta chiếu vào môi trường này một chùm sáng với 3 photon có năng lượng tuân theo hệ thức:

hv = E2 E1 (2.9)

Khi đó quá trình có thể xảy ra như sau: một photon bị hấp thụ và làm cho một nguyên tử từ mức E1 lên mức E2, 2 photon còn lại kích thích cưỡng bức làm cho hai nguyên tử đang ở trạng thái E2 chuyển về trạng thái E1 và sinh thêm 2 photon Vậy với 3 photon vào ta sẽ có 4 photon ra

Hệ số khuếch đại được xác định bằng công thức :

Trong đó Wr, Wv là năng lượng photon ra và năng lượng photon vào Môi trường

có g > 1 gọi là môi trường khuếch đại, nếu g<1 là môi trường hấp thụ

Trên cơ sở lí thuyết khuếch đại ánh sáng người ta chế tạo laser

2.3 Sự nghịch đảo mật độ

Các nguyên tử và phân tử có thể chiếm giữ nhiều mức năng lượng, và mặc dù một

số dịch chuyển trạng thái này có khả năng xảy ra hơn so với một số dịch chuyển trạng thái khác (do các quy luật của cơ học lượng tử và vì những lí do khác), nhưng sự chuyển trạng thái có thể xảy ra giữa bất kì hai mức năng lượng nào Theo phân bố Boltzmann số hạt ở trạng thái E2 là : kT

hv

e N N

Tùy vào loại nguyên tử, phân tử người ta có cách để tạo ra sự nghịch đảo mật độ khác nhau Ví dụ đối với chất rắn thì dùng bơm quang học, đối với chất khí thì dùng hiệu ứng va chạm giữa những nguyên tử hoặc phân tử khí với những điện tử tự do chuyển động nhanh dưới tác dụng của điện trường ngoài, đối với bán dẫn thì dùng phương pháp bơm bằng dòng điện

CHƯƠNG 3: MỘT SỐ ỨNG DỤNG LASER TRONG KHÔNG

nổ đẩy và không hề gây ô nhiễm.Ý tưởng cơ bản đằng sau kỹ thuật đẩy bằng ánh sáng là

sử dụng các tia laser từ mặt đất để đốt nóng không khí đến mức làm không khí nổ tung, đẩy con tàu tiến lên phía trước Nếu thành công, kỹ thuật đẩy bằng ánh sáng sẽ làm con tàu nhẹ hơn hàng nghìn lần, hiệu quả hơn so với các động cơ tên lửa sử dụng chất hoá học và không gây ô nhiễm

Ý tưởng được bắt đầu tại Học viện tổng hợp Resselaer ở Troy, bang New York, Mỹ Tiếp đó, Công ty Lightcraft Technologies đã có vài thử nghiệm thành công với loại tàu nhẹ này Nguyên lý rất đơn giản: con tàu sử dụng các tấm gương để thu nhận và hội tụ chùm laser chiếu vào, rồi đốt nóng không khí đến độ không khí nổ tung, đẩy con tàu đi

3.1.2 Quá trình nghiên cứu.

Ý tưởng của động cơ đẩy laser bắt nguồn từ những năm 1960, sau khi phát minh ra laser, các nhà khoa học khi nghiên cứu về laser đã phát hiện ra hiện tượng khi laser tập trung vào một khối khí sẽ ion hóa và biến nó thành plasma, tạo ra lực đẩy cơ bản của động cơ đẩy Sang những năm 1970, sự chú ý được tập trung chủ yếu vào những nghiên cứu cơ bản về việc sử dụng năng lượng laser để đánh giá tiềm năng và tính khả thi của năng lượng laser cho động cơ đẩy tên lửa Một vài nghiên cứu với quy mô phòng thí nghiệm cho thấy khả năng thành công của ý tường này Một trong những ý tưởng xuất hiện đầy hứa hẹn trong thời điểm này là khi một xung laser được bắn vào phần sau của một gương phản xạ parabol, các tia laser hội tụ tại một lượng chất nổ đẩy gây ra một sự đánh thủng, làm nhiệt độ tăng cao, hình thành plasma, nhanh chóng giãn nở Plasma này như một luồng sóng khí siêu âm, phụt ra nhanh tạo nên lực đẩy

Những nghiên cứu trước đây cho thấy sự ăn mòn và hư hỏng bề mặt làm giảm hiệu suất quá trình hấp thụ laser Raiser đã tính toán (năm 1977) với cường độ tia laser I = 105

MW/cm2, mật độ khí ρo=1.3×10-3 g/cm2 và tỉ số nhiệt dung riêng γ =1,33 thì vận tốc nổ

VLSD = 133 km/s và nhiệt độ cân bằng Tequilibrium = 910.000 K Những giá trị này phù hợp với thực nghiệm VLSD = 110 km/s và T= 700.000 K Vì vậy, những cải tiến trong tương lai của động cơ đẩy xung laser nhắm đến yêu cầu phải giảm những ảnh hưởng làm hao hụt vật liệu trong vùng bức xạ laser chiếu tới, gây ra bởi nhiệt độ plasma cao gần bề mặt Báo cáo của Pirri năm 1974 về việc sử dụng chất khí nổ đẩy trong động cơ đẩy laser

đã nêu lên cách tốt nhất để đạt được xung lực mạnh là cho laser chiếu thẳng vào khí chứ không chỉ cho laser chiếu vào chất nổ đẩy trước Và để cải thiện hơn nữa động cơ laser, một hỗn hợp của chất nổ đẩy có nguyên tử khối nhỏ và một lượng nhỏ những hạt ion hoá

(như là H2 hay He cộng với Li hay Cs) Sự cải tiến cho phép xung laser năng lượng cao ngắn hơn, nâng cao thời gian đẩy và xung lực riêng mạnh hơn

Trong quá khứ, một vài nghiên cứu đã được tiến hành để tìm hiểu những ảnh hưởng khác nhau, bao gồm ngưỡng cường độ laser đánh thủng trên các bề mặt khác nhau trong không khí, ảnh hưởng của áp suất và mật độ không khí trên ngưỡng năng lượng, và sự bay hơi của các vật liệu khác nhau Báo cáo của Maher năm 1973 về ngưỡng bốc cháy của các vật liệu được xác định trong không khí ở cùng một áp suất không khí Loại vật liệu phản xạ cũng có ảnh hưởng quan trọng Ví dụ nhôm, cường độ giới hạn laser đo được là 59 J/cm2 và silic oxit nấu chảy là 310 J/cm2 Vì thế cần phải cẩn thận trong việc lựa chọn vật liệu để làm bề mặt phản xạ Hettche kết luận rằng xung lực tác động lên bề mặt rắn bị ảnh hưởng bởi tương tác giữa năng lượng laser và không khí bị đánh thủng ở

bề mặt

Họ cũng chú ý đến áp suất đo được gây ra bởi dòng laser 1×108 đến 3×108 W/cm2

áp suất sinh ra khoảng 20 đến 220 atm Tuy nhiên áp suất đo được nhanh chóng giảm sau khi nổ plasma Sự tương tác của áp suất với bề mặt sau khi kết thúc giai đoạn đầu phụ thuộc vào tương tác hỗn hợp giữa độ không trong suốt do plasma tán sắc với cường độ chùm sáng tới

3.1.3 Cấu tạo của hệ thống

- 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

Ngoài ra, người ta cũng sẽ đặt các gương bên trong con tàu để chiếu một số chùm năng lượng về phía trước Sức nóng từ chùm laser sẽ tạo ra một cụm khí làm chệch

hướng đi của một phần luồng không khí đi qua con tàu, từ đó giúp giảm bớt ma sát và giảm lượng khí nóng mà con tàu hấp thụ

3.1.5 Ưu điểm

- Nếu thành công, kỹ thuật đẩy bằng ánh sáng sẽ làm con tàu nhẹ hơn hàng nghìn lần do không phải mang theo nhiên liệu

- Không gây ô nhiễm vì khí thải là không khí, hiđro

- 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

- Hiệu quả hơn so với các động cơ tên lửa sử dụng chất hoá học

3.1.6 Các thử nghiệm gần đây

Công ty Lightcraft Technologies đã vài lần thử nghiệm một tàu nhẹ nguyên mẫu nhỏ tại bãi tên lửa White Sands ở bang New Mexico Vào tháng 10/2000, con tàu nhẹ thu nhỏ, có đường kính 12,2 cm và chỉ nặng 50 g đã đạt được độ cao 71 m

Trước khi bay lên khỏi mặt đất, một luồng không khí nén sẽ xoay con tàu lên đến vận tốc khoảng 10.000 vòng/phút Khi nó đang lượn xoáy với một tốc độ tối ưu, tia laser

sẽ được bật lên, thổi con tàu lên không trung Tia laser 10 kW này có xung từ 25-28 lần/giây Các xung laser liên tục đẩy con tàu lên phía trên

Còn tại Kazan, các nhà bác học Nga đã chế tạo được mô hình động cơ tên lửa laser độc đáo Bước đi quan trọng nhằm chế tạo tàu vũ trụ thế hệ mới giá rẻ đã được thực hiện Công cuộc chinh phục không gian thường gặp khó khăn vì chi phí cao khi cần đưa các hàng hóa cần thiết vào quỹ đạo Trái Đất Có khi đưa 1 kg loại hàng này phải tốn hàng chục ngàn đôla

Ý tưởng sử dụng laser trong vũ trụ đã nảy sinh vào đầu những năm 1970 Ở đây đang nói đến các thiết bị laser trên mặt đất, rất cồng kềnh, nặng nề nên không thể lắp đặt trên tàu vũ trụ Nguyên tắc của động cơ này là một chùm laser hẹp được phóng từ Trái Đất tới thiết bị đang bay trong không gian và làm cho vật liệu đặc biệt ở thể rắn hoặc thể khí nóng lên, biến thành plasma chảy qua vòi phun và tạo ra lực đẩy phản ứng Nga, Hoa

Kỳ và các nước khác đã tiến hành thử nghiệm với các loại laser khác nhau Người ta đã thử các loại khí và chất rắn có khả năng bay hơi Năm 1991, các chuyên gia Liên Xô trình bày về động cơ laser tại Đại hội hàng không quốc tế Montreal Do Liên Xô sụp đổ, động

cơ đã được xây dựng xong nhưng chưa được thử nghiệm

Trong thiên niên kỷ mới, sự quan tâm đến động cơ laser của Nga lại hồi sinh, chủ

đề này được một số nhóm khoa học thực hiện Nhóm nghiên cứu gồm các nhà khoa học

từ Kazan đã thu được kết quả xuất sắc, sử dụng dòng điện quang xả liên tục từ laser, tiếp nhận và lưu giữ lại một điểm duy nhất, phức tạp hơn so với việc xả xung quang Một dòng chảy khí argon được hướng tới động cơ dưới hình thức một cơn lốc xoáy Ông Aydar Bikmuchev - một trong những tác giả phát minh cho biết: “Trong trường hợp của chúng tôi, plasma nhiệt độ thấp nuôi dưỡng bằng năng lượng laser tạo ra, gọi là xả quang

liên tục Các plasma ở trung tâm có nhiệt độ ít nhất là 15 000 K, thổi vào các chất lỏng Chất lỏng nóng lên, tạo thành dòng phản lực Mẫu vật thí nghiệm chúng tôi chế tạo và thử nghiệm tạo ra lực đẩy xung điện rất tốt từ khí argon Argon là loại khí an toàn nhất.” Nếu thay khí argon bằng hydro, vận tốc các sản phẩm của nhiệt sẽ cao hơn cho cùng một trọng lượng, hơn nữa hydro nhẹ sẽ chiếm phần nhỏ hơn trong khối lượng của tàu vũ trụ Trong thực tế, ông Aydar Bikmuchev không thấy vấn đề gì về nguồn năng lượng:

“Nguồn năng lượng laser có thể được bố trí trong khoang tàu vũ trụ Trong không gian, trọng lượng tải trọng rất quan trọng Năng lượng laser luôn luôn được bổ sung do được nạp từ các tấm năng lượng Mặt Trời.”

Các tấm pin này khi ở khoảng cách xa Mặt Trời thì bị mất tính hiệu quả Nếu thay vào đó một lò phản ứng hạt nhân thì kích thước và trọng lượng của máy gia tăng rất nhiều, là điều không thể thực hiện Có một cách thứ ba, nhà khoa học Kazan nói tiếp:

“Hiện đang nghiên cứu về truyền năng lượng không dây Đã tiến hành một số thử nghiệm

về chuyển giao năng lượng cho tàu vận tải "Tiến bộ" bằng tia laser Có thể gửi nó qua hàng chục ngàn dặm mà không có bất kỳ vấn đề gì.”

Sử dụng tia laser hồng ngoại, các nhà khoa học Kazan đã nhận được lực đẩy phản ứng khoảng 0,5 kg, không đủ để vào quỹ đạo, nhưng quá đủ để định hướng lại các thiết

bị đang di chuyển trong không gian hoặc chuyển nó tới một quỹ đạo khác Xin lưu ý rằng trong năm 2004, một lực đẩy liên tục, chỉ có 6 g đã cho phép trạm SMART-1 của Cơ quan Vũ trụ châu Âu di chuyển đến Mặt Trăng từ quỹ đạo Trái Đất Lực rất nhỏ này từ từ làm quay thiết bị theo vòng xoắn ốc, cho đến khi vòng xoắn mở rộng đường kính bằng đường kính quỹ đạo mặt trăng Để làm điều này phải mất một năm và không phải là động

cơ laser mà là động cơ ion Các nhà khoa học Kazan phải đối mặt với khó khăn: không thể tăng mạnh lực chùm tia laser, bởi vì như vậy hiệu quả của thiết bị sẽ giảm Rất có thể phải cho vài chùm tia đi vào từ các phía khác nhau của động cơ để có nhiều điểm tạo ra plasma Thiết kế này chưa thật hoàn hảo, nhưng có định hướng tương lai trong lĩnh vực

hệ thống định vị không gian và ổn định thiết bị vũ trụ

Trong năm 2001, Lightcraft Technologies hy vọng sẽ đưa được nguyên mẫu con tàu nhẹ lên tới độ cao khoảng 152 m Sẽ cần tới tia laser 1 MW để đưa một vệ tinh nặng 1 kg vào một quỹ đạo thấp Tuy mô hình này được làm bằng loại nhôm dành để sản xuất máy bay, nhưng con tàu nhẹ khi được sản xuất thực sự có thể được chế tạo bằng carbua silic

3.1.7 Những vấn cần tiếp tục nghiên cứu

Công nghệ đẩy laser cũng có nhiều thách thức đáng kể Thứ nhất, các tia laser phải tập trung vào tàu vũ trụ thật chính xác Mặc dù khoảng cách xa hơn, chùm tia laser cũng không thể có bất cứ sai lệch nào Nếu không, tàu vũ trụ sẽ gặp nạn do không đủ năng lượng Thứ hai, công suất do các tia laser sinh ra phải siêu mạnh Trong một số trường hợp, năng lượng cần thiết cho nó có thể cao hơn rất nhiều so với tất cả năng lượng hiện nay của con người Đây là những vấn đề cần tiếp tục nhiên cứu để tìm ra hướng giải quyết Vì vậy vấn đề đang đặt ra cho chúng ta hiện nay là:

- Lựa chọn vật liệu làm gương phản xạ và khoang hút thu nhằm tránh sự hao hụt vật liệu (cường độ laser giới hạn của nhôm là 59 J/cm2 và silic oxit là 310 J/cm2)

- Lựa chọn chất nổ đầy mang theo tàu (H2 hay He cộng với Li hay Cs)

- Nghiên cứu công suất của laser thế nào cho phù hợp

- Nghiên cứu sự hấp thụ và biến dạng của tia laser đẩy khi xuyên qua khí quyển

- Nghiên cứu việc kết nối laser với thiết bị bay trong suốt quá trình bay

3.1.8 Triển vọng trong tương lai

Tương lai, Lightcraft sẽ trở thành phương tiện để lên đến quỹ đạo thấp của Trái Đất Bằng cách chế tạo thiết bị có đường kính 2 m, nặng 100 kg vào quỹ đạo thấp của Trái Đất

ở độ cao 20 m, cần phải sử dụng tia laser có công suất 100 MW Sau đó cần phải sử dụng thêm chất nổ đẩy trên thiết bị để có thể lên đến quỹ đạo 100 km, ở độ cao 100 m, thiết bị xoay nghiêng khoảng 5 đến 6 độ so với phương ngang và tăng tốc, nhiên liệu sẽ hết ở quỹ đạo 1000 km sau khi phóng 15 phút

Ước tính chi phí cho một hệ thống nhỏ, sử dụng tia laser công suất 20 MW, 150 kg chất nổ đẩy tốn khoảng 500 triệu đôla để chế tạo laser, kính viễn vọng, hệ thống quang học, …Hệ thống 20 MW, 20 kg được xem như là hệ thống nhỏ nhất được bắt đầu nghiên cứu Tốt nhất nên bắt đầu với những hệ thống nhỏ trước khi xây dựng hệ thống 1 GW,

1000 kg triển khai

3.2 Tia laser giúp truyền tải năng lượng Mặt Trời từ vũ trụ về Trái Đất

3.2.1 Vai trò của nguồn năng lượng Mặt Trời

Trái Đất nhận được 174 petawatts (PW) ( 1 petawatts = 1015

watts) của bức xạ Mặt Trời chiếu ở phía trên không khí Khoảng 30% được phản xạ trở lại không gian trong khi phần còn lại được hấp thụ bởi các đám mây, đại dương và vùng đất Tổng số năng lượng Mặt Trời được hấp thụ bởi bầu khí quyển, đại dương của Trái Đất và vùng đất là khoảng 3.850.000 exajoules (EJ) (1exajoules = 1018 joules) mỗi năm.Trên Trái Đất, Mặt Trời chỉ chiếu sáng nửa ngày, còn lại là ban đêm, nên chúng ta không thể thu được năng lượng từ Mặt Trời 24/24h Thế nhưng, năng lượng Mặt Trời trong không gian thì không thay đổi suốt 24 giờ

Năng lượng Mặt Trời là nguồn năng lượng sạch nhất và vô hạn nhất trong các nguồn năng lượng mà chúng ta được biết Bức xạ Mặt Trời là sức nóng, ánh sáng dưới dạng các chùm tia do Mặt Trời phát ra trong quá trình tự đốt cháy mình Bức xạ Mặt Trời chứa đựng một nguồn năng lượng khổng lồ và là nguồn gốc của mọi quá trình tự nhiên trên Trái Đất Năng lượng của Mặt Trời dù rất rồi dào nhưng việc khai thác hiệu quả nguồn năng lượng này thì vẫn còn là một câu chuyện dài

Năng lượng Mặt Trời có thể chia làm 2 loại cơ bản: Nhiệt năng và Quang năng Các

tế bào quang điện (Photovoltaic cells - PV) sử dụng công nghệ bán dẫn để chuyển hóa trực tiếp năng lượng quang học thành dòng điện, hoặc tích trữ vào pin, ắc quy để sử dụng sau đó Các tấm tế bào quang điện hay còn gọi là pin Mặt Trời hiện đang được sử dụng

rộng rãi vì chúng rất dễ chuyển đổi và dễ dàng lắp đặt trên các tòa nhà và các cấu trúc khác Pin Mặt Trời có thể cung cấp nguồn năng lượng sạch và tái tạo, do vậy là một nguồn bổ sung cho nguồn cung cấp điện chính thông thường Tại các vùng chưa có điện lưới như các cộng đồng dân cư ở xa, nông thôn, hải đảo, các trường hợp khẩn cấp, pin Mặt Trời có thể cung cấp một nguồn điện đáng tin cậy Điều bất cập duy nhất là giá thành của pin Mặt Trời đến nay còn cao và tỷ lệ chuyển đổi năng lượng chưa thật sự cao (13-15%) Trái lại sức nóng của Mặt Trời có hiệu suất chuyển đổi lớn gấp 4-5 lần hiệu suất của quang điện, và do vậy đơn giá của một đơn vị năng lượng được tạo ra rẻ hơn rất nhiều

Nhiệt năng có thể được sử dụng để sưởi nóng các tòa nhà một cách thụ động thông qua việc sử dụng một số vật liệu hoặc thiết kế kiến trúc, hoặc được sử dụng trực tiếp để đun nóng nước phục vụ cho sinh hoạt Ở rất nhiều khu vực khác nhau trên thế giới thiết

bị đun nước nóng dùng năng lượng Mặt Trời (bình nước nóng năng lượng Mặt Trời) hiện đang là một sự bổ sung quan trọng hay một sự lựa chọn thay thế cho các thiết bị cung cấp nước nóng thông thường dùng điện hoặc gaz

Hiện nay, theo nghiên cứu của một nhóm các nhà khoa học quốc tế thì xây dựng

nhà máy điện Mặt Trời trên quỹ đạo Trái Đất sẽ là phương án hiệu quả và tiết kiệm nhất trong vòng 30 năm tới Theo Reuters, những nghiên cứu trong phòng thí nghiệm công nghệ truyền tải điện này có thể sẽ thành hiện thực trong vòng 1 hoặc 2 thập kỷ tới Điều này đồng nghĩa nhà máy điện Mặt Trời trên quỹ đạo Trái Đất sẽ trở thành hiện thực trong vòng 30 năm nữa hoặc sớm hơn

3.2.2 Ý tưởng và những thử nghiệm về thu và truyền tải năng lượng Mặt Trời từ vũ trụ về Trái Đất

Các nhà khoa học có ý tưởng đầu tiên là đặt một, sau đó là một vài và hàng chục vệ tinh thu năng lượng Mặt Trời tại quỹ đạo địa tĩnh phía trên xích đạo Mỗi vệ tinh rộng vài

km và có thể thu ánh sáng Mặt Trời tới 24 giờ mỗi ngày, hiệu quả gấp đôi so với các bản thu năng lượng Mặt Trời đang được sử dụng để biến ánh sáng Mặt Trời thành điện năng Năng lượng sẽ được biến đổi thành điện năng ngay trên vệ tinh và sau đó truyền về Trái Đất thông qua một hệ thống ăngten truyền vi sóng rất lớn hoặc bằng tia laser, trước khi hòa vào mạng lưới điện

Hình 3.1: Dàn pin mặt trời trên vệ tinh

Bộ Năng lượng Mỹ và NASA cùng nhiều nhà khoa học khác đã nghiên cứu ý tưởng khai thác năng lượng Mặt Trời từ vũ trụ trong 40 năm qua Trong tháng 9/2011, các nhà phân tích an ninh quốc gia, chính sách và doanh nghiệp của Mỹ và Ấn Độ đã kêu gọi thực hiện một nghiên cứu khả thi chung giữa Mỹ và Ấn Độ về một chương trình hợp tác phát triển trạm năng lượng Mặt Trời trên vũ trụ với mục tiêu đưa vào ứng dụng thương mại trong hai thập kỷ tới Nhóm nghiên cứu được đồng tài trợ bởi nhóm chuyên gia tư vấn độc lập của Hội đồng Quan hệ Ngoại giao và Viện Nghiên cứu Aspen của Ấn Độ

Nhà máy điện năng lượng Mặt Trời trên quỹ đạo Trái Đất hấp thu tối đa năng lượng

từ Mặt Trời và truyền điện về Trái Đất bằng hệ thống truyền tải điện không dây

Hình 3.2: Mô hình nhà máy điện Mặt Trời trong không gian

Để dự án này thành hiện thực, các nhà khoa học cho rằng chính phủ các nước cần hợp các với các đơn vị tư nhân trong đầu tư nghiên cứu tìm ra mô hình thích hợp nhất Đây sẽ là giải pháp hữu hiệu giúp loài người giảm phụ thuộc vào nhiên liệu hóa thạch như hiện nay

Về phía Nhật Bản, Cơ quan thám hiểm vũ trụ Nhật (JAXA) đang phát triển một vệ tinh thu thập ánh sáng Mặt Trời trong vũ trụ và gửi xuống mặt đất qua tia laser Chùm tia laser thu được ban đầu có đường kính là 1m Trên đường đi xuống trái đất, dưới điều kiện

lý tưởng, chúng sẽ tỏa ra thành đường kính 50m Tuy nhiên, do trên đường đi chúng có thể gặp nhiều yếu tố gây nhiễu như mây, mưa nên vì lý do an toàn, các nhà khoa học dự tính sẽ xây dựng trạm tiếp nhận có đường kính từ 100 đến 200m trên mặt biển Mặc dù chùm tia laser này có cường độ chỉ bằng một phần triệu của các vũ khí laser, nhưng người ta vẫn cần đề phòng vì các nguy hiểm có thể có cho con người vẫn chưa được nghiên cứu đầy đủ