Ứng Dụng Của LASER Trong Nghiên Cứu Vũ Trụ

 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 laserTia laser carbon dioxit: được chiếu từ mặt đất đến tàu, cun

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

I Sơ lược lịch sử phát triển laser

II.Những ứng dụng của laser trong nghiên cứu vũ trụ

1 Phóng tàu vũ trụ bằng tia laser

2 Năng lượng mặt trời từ vũ trụ.

3 Giải quyết vấn đề rác vũ trụ

4 Dùng tia laser lái chệch hướng thiên thạch

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

6 Cầu nối laser giữa các vệ tinh

NỘI DUNG

Sơ lược lịch sử phát triển laser

1900 Max Planck chứng minh thuyết lượng tử năng lượng

1960 Theodora Maiman chế tạo thành công laser Rubi đầu tiên

Townes (trái) và Gordon (phải)

và maser amoniac do họ tạo ra tại

đại học Colombia Prokhorov, Townes và

Basov tại giải Nobel 1964 Albert Einstein

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

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

•Ý tưởng:

•Cấu tạo: gồm 4 phần

chính

Phóng tàu vũ trụ bằng tia laser

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

(10000-30000 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

•Ý tưởng:

•Cấu tạo:

•Nguyên tắc hoạt

động:

Phóng tàu vũ trụ bằng tia laser

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, 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

tiếp tục nghiên cứu: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 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 quyểnViệc kết nối laser với thiết bị bay trong suốt quá trình bay

Phóng tàu vũ trụ bằng tia laser

tiếp tục nghiên cứu:

•Các thử nghiệm:Công ty Lightcraft Technologies đã 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 12,2cm 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

-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

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

TÀI LI ỆU THAM KHẢO

1.Douglas Feikema, Analysis of the Laser Propelled Lightcraft Vehicle, Glenn Research Center, Cleveland, Ohio, June 2000

2.www.Wikipedia.com

3.www HowStuffWorks.com

4.www.tin24.com

Và một số trang web khác