LUẬN văn sư PHẠM vật lý tìm HIỂU một số ỨNG DỤNG của LASER TRONG KHÔNG GIAN

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... 1.6 Đặc điểm của chùm tia laser 1.6.1 Tính c

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ

KHOA SƯ PHẠM

TÌM HIỂU MỘT SỐ ỨNG DỤNG CỦA LASER TRONG KHÔNG GIAN

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

GV hướng dẫn: Sinh viên : Trương Thị Ngọc Diễm ThS Lê Văn Nhạn Lớp : SP Vật Lí- Công Nghệ

Mã số SV : 1080313

Cần Thơ, 2011

LỜI CẢM ƠN

Trong suốt thời gian thực hiện đề tài luận văn tôi đã gặp không ít khó khăn , có lúc tưởng chừng không vượt qua nổi nhưng 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

Đặc biệt 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 tất cả các bạn lớp sư phạm Vật Lí – Công Nghệ khóa 34, nhất là các bạn làm luận văn đợt này 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 2012 Sinh viên thực hiện

Trương Thị Ngọc Diễm

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU……… 1

1 LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI……… 1

2 MỤC ĐÍCH CỦA ĐỀ TÀI……… 1

3 NHIỆM VỤ NGHIÊN CỨU……….2

4 ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU……… 2

5 PHẠM VI NGHIÊN CỨU……… 2

6 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU……… 2

NỘI DUNG……… 3

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ LASER 3

1.1 Khái niệm……… 3

1.2 Lịch sử nghiên cứu laser……… 3

1.3 Phân loại laser……… 4

1.3.1 Laser chất rắn……… 4

1.3.2 Laser chất khí……… 4

1.3.3 Laser chất lỏng……… 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……… 8

1.7 Chế độ hoạt động của laser……… 9

1.7.1 Chế độ phát liên tục……… 9

1.7.2 Chế độ phát xung……… 9

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ LASER 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……… 16

CHƯƠNG 3: MỘT SỐ ỨNG DỤNG CỦA LASER TRONG KHÔNG GIAN 17

3.1 Phóng tàu vũ trụ bằng tia laser……… 17

3.1.1 Ý tưởng……… 17

3.1.2 Quá trình nghiên cứu……… 17

3.1.3 Cấu tạo của hệ thống……… 19

3.1.4 Nguyên tắc hoạt động……… 19

3.1.5 Ưu điểm……… 22

3.1.6 Các thử nghiệm gần đây……… 22

3.1.7 Những vấn cần tiếp tục nghiên cứu……… 24

3.1.8 Triển vọng trong tương lai……… 25

3.2 Tia laser giúp truyền tải năng lượng Mặt Trời từ vũ trụ về Trái Đất…… 25

3.2.1 Vai trò của nguồn năng lượng Mặt Trời……… 25

3.2.2 Ý tưởng và những thử nghiệm về thu và truyền tải năng lượng Mặt Trời từ vũ trụ về Trái Đất……… 27

3.2.3 Cấu tạo của hệ thống……… 30

3.2.4 Ưu điểm, nhược điểm……… 30

3.2.5 Tầm quan trọng của phương pháp này……… 31

3.3 Giải quyết vấn đề rác vũ trụ……… 32

3.3.1 Rác trên vũ trụ là gì? 32

3.3.2 Sự hình thành của rác vũ trụ……… 33

3.3.3 Số lượng rác trên vũ trụ (những vật quan sát được)……… 35

3.3.4 Mối nguy hại……… 36

3.3.5 Các phương án giải quyết……… 39

3.3.6 Bắn tia laser để giải quyết rác vũ trụ……… 42

3.4 Dùng tia laser lái chệch hướng thiên thạch……… 42

3.4.1 Thiên thạch là gì? 42

3.4.2 Mối nguy hại từ thiên thạch……… 43

3.4.3 Phát hiện và xác định đường bay của thiên thạch……… 44

3.4.4 Sử dụng tia laser để lái lệch hướng thiên thạch……… 45

3.5 Đo khoảng cách Trái Đất - Mặt Trăng chính xác tới milimét………… 47

3.5.1 Nguyên tắc đo……… 47

3.5.2 Ứng dụng……… 49

3.6 Cầu nối laser giữa các vệ tinh……… 49

3.6.1 Các thử nghiệm……… 49

3.6.2 Ưu điểm……… 50

3.7 Một vài ứng dụng khác……… 50

3.7.1 Nghiên cứu về thiên thể lạ trong vũ trụ (như sao nơtron)………… 50

3.7.2 Nghiên cứu lõi của Trái Đất……… 51

3.7.3 Sử dụng trong quan sát thiên văn……… 53

KẾT LUẬN……… 58

TÀI LIỆU THAM KHẢO……… 59

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

RVT : Rác vũ trụ

HKVT : Hàng không vũ trụ

NASA : Cơ quan Hàng không Vũ trụ Mỹ

UAH : Đại học Alabama (Mỹ) tại Huntsville

JAXA : Cơ quan thám hiểm vũ trụ Nhật

Laser là một nguồn phát ánh sáng có những ứng 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 khoa học kỹ thuật và đời sống, tạo nên cả một cuộc cách mạng khoa học kỹ thuật sau khi

nó ra đời Một trong những ứng dụng mới hiện nay được nhiều nhà khoa học trên thế giới quan tâm nhất đó là ứng dụng của laser trong không gian 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 trong vòng 20 năm tới, 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 “Tìm hiểu một số ứng dụng của laser trong không gian” cần được tiến hành nghiên cứu

2 MỤC ĐÍCH CỦA ĐỀ TÀI

Đề tài này được nghiên cứu với mục đích sau:

−−−− Tìm hiểu một cách tổng quát về laser

−−−− Những ứng dụng của laser vào trong không gian hiện nay đã đạt được những kết quả gì?

−−−− Những hướng nghiên cứu mới về không gian sử dụng công nghệ laser trong tương lai là gì?

3 NHIỆM VỤ NGHIÊN CỨU

Để hoàn thành tốt đề tài nhiệm vụ cụ thể được đặt ra là:

− Nghiên cứu và nắm vững các cơ sở lý thuyết về laser

− Thu thập tài liệu từ sách báo và Internet

− Tổng hợp, phân tích, so sánh và khái quát hóa tài liệu thu thập được

4 ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU

Để đạt được mục đích và nhiệm vụ nghiên cứu như đã đề ra đối tượng

nghiên cứu cần xác định là:

− 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

Đề tài 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

xạ qua lại trong môi trường hoạt chất để làm tăng cường độ, độ định hướng và

đồng pha cho đến khi phát ra một chùm tia laser

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

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 mức 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 định đề về lý thuyết của phát xạ cưỡng bức Tạo nền tảng cho những nghiên cứu về laser sau này

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 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

1.3 Phân loại laser

1.3.1 Laser chất rắn

Laser rắn có môi trường hoạt chất ở thể rắn Có khoảng 200 chất rắn có khả năng dùng làm môi trường hoạt chất laser 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

− Bán dẫn: loại thông dụng nhất là diot Gallium Arsen có bước sóng 890 nm thuộc phổ hồng ngoại gần

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

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

− Dưới sự tác động của hiệu điện thế cao, các electron của thạch anh di chuyển từ mức năng lượng thấp lên mức năng lương cao tạo nên trạng thái nghịch đảo mật độ tích lũy của electron

− 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

để tăng hiệu suất khuếch đại ánh sáng

− 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 có: 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 mặt chắn 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

Hình 1 Cấu tạo cơ bản và cơ chế hoạt

động của laser

1) vùng bị kích thích 2) năng lượng bơm vào vùng bị kích thích

3) gương phản xạ toàn phần 4) gương bán mạ

5) tia laser

laser nhiều lần tạo mật độ photon lớn Vì thế cường độ chùm laser được khuếch đại lên nhiều lần Tính chất của laser phụ thuộc vào hoạt chất đó, do

đó người ta căn cứ vào hoạt chất để phân loại laser

− Hoạt chất laser: Là môi trường chứa các hoạt chất có khả năng phát ra bức

xạ laser khi được kích hoạt bằng một nguồn năng lượng

− 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

1.6.1 Tính chất vật lý

a) Độ định hướng cao

Khác với các nguồn sáng khác, các tia sáng laser được chọn lọc chỉ phát ra những tia vuông góc với gương, nên hầu như song song với nhau (hay nói theo ngôn ngữ vật lý là góc mở giữa các tia là rất nhỏ) Nhờ vậy, laser có

độ định hướng lý tưởng, có thể chiếu đi rất xa, đến mức người ta có thể dùng

laser để đo những khoảng cách trong vũ trụ

b) Tính đơn sắc rất cao

Các tia sáng của laser có mức chênh lệch bước sóng nhỏ nhất, so với các chùm sáng đơn sắc khác Sự chênh lệch bước sóng này mô tả bởi phổ ánh sáng của chùm ánh sáng Phổ càng hẹp thì độ đơn sắc của chùm sáng càng cao 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 xạ (hầu như không) khi đi qua mặt phân cách của hai môi trường

có chiết suất khác nhau

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

c) Có khả năng phát xung cực ngắn

Xung ngắn cỡ mili giây (ms), nano giây, pico giây (ps), femto giây (fs) cho phép tập trung năng lượng tia laser cực lớn trong thời gian cực ngắn

d) Độ rộng phổ

Độ chói của nguồn sáng được tính bằng cách chia công suất của chùm

sáng cho độ rộng của phổ Vì độ rộng của phổ laser rất nhỏ nên laser có độ tập trung các tia sáng rất cao, hay nói cách khác là độ chói rất cao so với các nguồn sáng khác

điểm nhỏ

∗ Tính đồng pha

Đồng pha nghĩa là toàn bộ năng lượng được truyền từ nguồn đều cùng

pha Biên độ, pha của sóng được lặp lại giá trị của chính mình và không biến

đổi trong mặt tiết diện ngang của buồng cộng hưởng sau quá trình sóng truyền

đi và về giữa hai gương phản xạ Khi chiếu laser lên một mặt thô thì thu được

một hình ảnh lấp lánh đặc trưng gọi là đốm laser 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 Tính đồng pha của ánh sáng laser được dùng để tạo ra các vân giao thoa trong giao thoa kế

∗ 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 và tính đẳng pha của mặt sóng 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 Tính kết hợp thời gian liên hệ chặt chẽ với

độ đơn sắc của sóng laser Tính kết hợp không gian được thể hiện rõ trong

hiện tượng giao thoa, hình ảnh giao thoa rõ ràng chứng tỏ tính kết hợp của chùm laser

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 sự kích thích hô hấp tế bào

− Phản ứng chậm (hay gián tiếp) là tác dụng muộn sau hàng giờ hay hàng ngày, biểu hiện bằng sự gia tăng quá trình phân chia tế bào

b) Hiệu ứng nhiệt

Công suất chùm tia có thể tới hàng trăm watt, khi đó quang năng của laser biến thành nhiệt để đốt nóng các tổ chức sinh học Hiệu ứng nhiệt có hai cách tác dụng:

− Công suất không cao, thời gian tác động dài: sẽ làm nóng chảy tổ chức sinh học và sau đó các tổ chức bị đông kết lại (gọi là hiệu ứng quang đông)

có tác dụng tốt cho cầm máu trong ngoại khoa

− 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 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

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 tia sáng, theo giả thuyết của Albert Einstein 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 N 1 và N 2 Theo định luật phân bố Boltzmann thì:

với N 0 là mật độ cư trú của hạt ở trạng thái cơ bản,K là hằng số Boltzmann, T

là nhiệt độ của hệ hạt

Khi một chùm sáng gồm các photon với năng lượng hv = E2 −E1( h là

hằng số Planck, v là tần số của photon chiếu vào) có mật độ photon ρ 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, các nguyên tử ở mức cơ bản nhận năng lượng của photon ngoài để nhảy lên mức kích thích

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 Hình 3 Quá trình hấp thụ

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

hv là 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 P12 được tính như sau :

Trong đó: B12 là hệ số Einstein của dịch chuyển hấp thụ,

ρ là mật độ photon chiếu vào

Quá trình hấp thụ khác quá trình tự phát 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

2.1.2 Quá trình phát xạ tự phát

Phát xạ tự phát là quá trình các

nguyên tử đang ở mức năng lượng cao hơn

tự nhảy xuống mức năng lượng thấp hơn

mà không cần kích thích từ bên ngoài

(không cần ánh sáng kích thích) Khi đó

hạt sẽ bức xạ ra một lượng tử năng lượng

điện từ (photon)

2.1.3 Quá trình phát xạ cưỡng bức

Năm 1917, khi nghiên cứu lí thuyết

phát xạ, Einstein đã chứng minh rằng: ngoài

hiện tượng phát xạ tự phát, còn có hiện

tượng phát xạ mà ông gọi là phát xạ cưỡng

bức (hay phát xạ cảm ứng) Hiện tượng

như sau:

Nếu một nguyên tử đang ở trong

trạng thái kích thích, sẵn sàng phát ra một

photon có năng lượng ε = hv , bắt gặp

một photon có năng lượng ε ' đúng bằng

hv

=

ε , 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 ' Ngoài ra, sóng điện

Hình 4 Phát xạ tự phát

Hình 5 Hai photon ε và ε '

Hình 6 Photon tăng theo cấp số

nhân

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 ε ' Khi 1

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

Vậy quá trình phát xạ cưỡng bức là quá trình khi có tác động của photon

có năng lượng ε, 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 ε 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

Xác suất số nguyên tử nhảy xuống mức cơ bảntrên một đơn vị thời gian xác định như sau:

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

Hình 7 Phát xạ cưỡng bức

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:

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

trú Nếu ta chiếu vào môi trường này một chùm sáng với 3 photon có năng lượng tuân theo hệ thức:

1

E

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

N1>N2 Mà yêu cầu tối thiểu cho sự phát xạ cưỡng bức và khuếch đại, hay hoạt

động laser là ít nhất phải có một trạng thái năng lượng cao hơn có mật độ hạt

nhiều hơn một trạng thái năng lượng thấp hơn tức là N2>N1 Đây được gọi là

sự nghịch đảo mật độ Trạng thái này gọi là trạng thái “nhiệt độ âm” không tuân theo phân bố Boltzmann

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

2.4 Ngưỡng phát

Để phát ra được photon sau khi được khuếch đại thì hệ số khuếch đại

phải lớn hơn một giá trị giới hạn, giới hạn đó chính là ngưỡng phát Giá trị ngưỡng này phụ thuộc vào sự mất mát xảy ra trong quá trình khuếch đại, quá trình nghịch đảo mật độ tích lũy Trong buồng cộng hưởng của laser xảy ra cả hai quá trình: khuếch đại photon và photon bị mất mát Mất mát này có thể do nhiễu xạ, phản xạ, tán xạ, …

CHƯƠNG 3: MỘT SỐ ỨNG DỤNG CỦA LASER TRONG

KHÔNG GIAN 3.1 Phóng tàu vũ trụ bằng tia laser

3.1.1 Ý tưởng

Để thoát khỏi sức hút Trái Đất lâu nay loài người vẫn sử dụng tàu con

thoi, loại tàu phải mang theo hàng tấn nhiên liệu và hai tên lửa đẩy lớn Nhưng không lâu nữa, các con tàu vũ trụ sẽ lướt vào không gian trên một chùm tia laser, cần rất ít hoặc không cần chất nổ đẩy và không hề gây ô nhiễm

Ý tưởng được bắt đầu tại Học viện tổng hợp Resselaer ở Troy, bang New York, Mỹ Động cơ đẩy cải tiến của thế kỷ 21 sử dụng các tia laser để cung cấp lực đẩy cho phương tiện bằng cách tạo sóng nổ bằng tia laser Không quân Hoa Kỳ và NASA đã bắt đầu phát triển kỹ thuật để đưa những vật nhẹ lên quỹ đạo thấp của Trái Đất với chi phí khoảng 1,5 triệu đô la Trong số những sự lựa chọn kỹ thuật sẵn có, một phương pháp có tiềm năng thành công cao là sử dụng một xung laser năng lượng cao dưới đất cung cấp năng lượng cho động cơ 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 Động cơ đẩy laser có những ưu

điểm là lực đẩy mạnh và xung lực riêng lớn, kết cấu đơn giản và độ tin cậy cao

bởi vì có rất ít bộ phận của động cơ chuyển động và hệ thống ống dẫn chất nổ

đẩy đơn giản Hạn chế của phương pháp này là công suất của laser, sự hấp thụ

và biến dạng của tia laser đẩy khi xuyên qua khí quyển và việc kết nối laser với thiết bị bay trong suốt quá trình bay

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

đốt nóng không khí cho đến khi cháy Mỗi lần không khí cháy lại tạo ra một

tia sáng loé lên Bằng cách phát xung laser, nó liên tục đẩy con tàu lên phía trên

Chùm tia sáng được hội tụ bởi gương parabole ở đáy của con tàu đốt nóng không khí lên tới khoảng từ 10.000-30000 0C, nóng hơn bề mặt của Mặt Trời vài lần Khi không khí bị đốt nóng đến nhiệt độ cao như vậy, nó sẽ biến

đổi sang thể plasma (loại khí có số lượng các hạt mang điện âm, dương, tương đương nhau trên Mặt Trời và phần lớn các vì sao) - thể plasma này sau đó nổ

tung để đẩy con tàu lên phía trên

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

Hoạt động của động cơ xung phản lực dựa vào sự tác động đồng bộ của những hiện tượng như: sự hình thành và lan truyền của sóng nổ, nhiệt sinh ra

do laser, sự cung cấp thêm không khí trong giai đoạn hút khí - giai đoạn thứ nhất, và việc thêm chất nổ đẩy trong giai đoạn hỏa tiễn - giai đoạn thứ hai

Hiện tượng chính xảy ra bên trong vòi phun là sự ion hoá khí, bốc cháy plasma và lan truyền sóng nổ Sự ion hoá ban đầu của plasma xảy ra khi hội tụ chùm laser cường độ cao vào khối khí trong khoang, tạo ra electron tự do Khi plasma bắt đầu bắt lửa, bán kính Debye của nó được tính:

bề mặt của Mặt Trời vài lần, bán kính Debye của plasma tăng lên, dẫn đến sự

giãn nở của khối plasma Sau khi xung laser kết thúc, sóng nổ xuất hiện- vì sự hấp thụ năng lượng cao của plasma Gây ra sự ion hoá nhiều hơn của lớp khí lạnh Bởi vì plasma cháy sau 9 ns, trong khi xung laser trong khoảng 30 ns nên năng lượng laser được hấp thụ trong giai đoạn plasma nhiều hơn trong giai

đoạn khí Bởi vì L tăng lên theo nhiệt độ và thời gian, vị trí electron tốc độ cao

va chạm với khí lạnh càng xa tiêu điểm Khi khoảng cách lan truyền của plasma vượt quá biên của khối khí lạnh ở miệng vòi phun, sóng dễ dàng bay hơi vào vùng chân không bên ngoài khối khí, phụt ra ngoài tạo xung lực đẩy thiết bị về phía trước

Simmons và Pirri đã tìm một biểu thức tính xung lực riêng ISP của một xung laser lặp lại Khối lượng đầu đạn có thể được tối đa hoá bằng cách tối đa xung lực riêng

( ) ( )

4 1

2 2 1

*

D t t M

E u

I

s p

Trong đó u* là vận tốc phun khí âm thanh trong hốc cộng hưởng đẩy, E

là tổng năng lượng laser D* là đường kính vòi phun Tp là thời gian giữa các xung laser M là khối lượng phân tử chất nổ đẩy ts là thời gian mồi của sóng hơi do nổ

Như đã được lưu ý trong phương trình này, thành phần khối lượng phụ tải có ích có thể được tăng lên bằng cách:

− Phát xung laser tốc độ cao hơn, gần bằng với thời gian mồi

− Tăng tổng năng lượng laser

− Sử dụng chất nổ đẩy có phân tử khối nhỏ

− Phun khí nóng thay vì khí lạnh trong giai đoạn thứ hai khi u* lớn hơn

− Phun chất nổ đẩy qua vòi phun có đường kính nhỏ hơn

Có sự khác nhau quan trọng giữa động cơ đẩy laser với tên lửa hoá học

là xung lực riêng của hệ thống xung laser sử dụng chất nổ đẩy có phân tử khối

nhỏ, ít gây ô nhiễm hơn so với tên lửa hoá học sử dụng chất nổ đẩy có phân tử khối lớn

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

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

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

Công ty 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 1kg 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 làm carbua silic

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) 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) 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

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