luận văn ỨNG DỤNG CỦA LASER TRONG KHÔNG GIAN

Mô tả một cách đơn giản nhất hoạt động của laser như sau: một nguồn nănglượng kích thích các nguyên tử trong môi trường hoạt chất để phát ra một bước sóngánh sáng đặc biệt.. Ở mức năng l

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ

KHOA SƯ PHẠM

TÌM HIỂU MỘT SỐ ỨNG DỤNG CỦA LASER TRONG KHÔNG GIAN

Luận văn Tốt nghiệpNgành: 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

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 nênđến nay tôi đã hoàn thành đề tài

Đầu tiên tôi xin gửi lời cám ơn đến tất cả thầy cô trong khoa Sư Phạm TrườngĐại học Cần Thơ đã truyền đạt những kiến thức, kinh nghiệm hết sức qúy báu để tôicũng 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 đãtận 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 vượtqua 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 mọikhó 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

22

MỤC LỤC

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

NASA : Cơ quan Hàng không Vũ trụ Mỹ

UAH : Đại học Alabama (Mỹ) tại Huntsville

JAXA : Cơ quan thám hiểm vũ trụ Nhật

MỞ ĐẦU

1 LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI

Cuộc cách mạng khoa học kỹ thuật hiện đại bắt đầu giữa những năm 40 thế kỉ

20 Những phát minh trong khoa học - kĩ thuật cuối thế kỉ 19 đầu thế kỉ 20 là tiền đềcủa cuộc cách mạng khoa học kỹ thuật hiện đại này Cuộc cách mạng trong giai đoạnnày chủ yếu về công nghệ Việc áp dụng những công nghệ hoàn toàn mới đã tạo điềukiện cho sản xuất phát triển theo chiều sâu, giảm hẳn tiêu hao năng lượng và nguyênliệu, giảm tác hại cho môi trường, nâng cao chất lượng sản phẩm và dịch vụ, thúcđẩy mạnh mẽ sự phát triển của sản xuất Một trong những đóng góp to lớn cho khoahọc kỹ thuật của ngành vật lý trong thế kỷ 20 là laser

Laser là một nguồn phát ánh sáng có những ứng ngày càng nhiều trongcuộc sống hàng ngày của chúng ta Nó là nguồn ánh sáng nhân tạo thu đượcnhờ sự khuếch đại ánh sáng bằng bức xạ phát ra khi kích hoạt cao nồng độ cácphần tử của một môi trường vật chất tương ứng Laser là ánh sáng có nhiềutính chất đặc biệt hơn hẳn ánh sáng tự nhiên hay nhân tạo khác và có nhữngcông dụng rất hữu ích có thể áp dụng trong rất nhiều lĩnh vực khoa học kỹthuật 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 họctrên thế giới quan tâm nhất đó là ứng dụng của laser trong không gian Vớihướng nghiên cứu mới này thì công nghệ laser sẽ mở ra cho con người nhữnghiểu 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 quảgì?

Những hướng nghiên cứu mới về không gian sử dụng công nghệ laser trong tươnglai 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 nghiêncứu cần xác định là:

Tổng quan về laser: khái niệm, lịch sử nghiên cứu laser, cơ chế phát laser, cấu tạocủa 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, vànhững 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

NỘI DUNG CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ LASER1.1 Khái niệm

Laser là tên viết tắt của cụm từ Light Amplification by Stimulated Emission

of Radiation trong tiếng Anh, và có nghĩa là "khuếch đại ánh sáng bằng phát xạcưỡng bức" Cụm từ này nêu rõ những sự kiện chính của quá trình sinh ra ánh sánglaser Mô tả một cách đơn giản nhất hoạt động của laser như sau: một nguồn nănglượng kích thích các nguyên tử trong môi trường hoạt chất để phát ra một bước sóngánh sáng đặc biệt Ánh sáng sinh ra được khuếch đại nhờ một hệ thống phản hồiquang học nó làm cho chùm sáng phản xạ qua lại trong môi trường hoạt chất để làmtăng 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 trênviệc 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 củasóng điện từ được diễn tả như những gói rời rạc gọi là lượng tử, có mức năng lượngtương ứng với tần số của sóng Năm 1905, Albert Einstein đã phát triển giả thuyếtcủa 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 cưỡngbức Tạo nền tảng cho những nghiên cứu về laser sau này

Dựa theo ấn bản của Townes và Schawlow năm 1958, Theodore Maiman, làmviệc tại trung tâm nghiên cứu Hughes, đã tạo ra máy laser đầu tiên Ông công bố kếtquả đạt được này tại buổi họp báo tại New York City vào tháng 7 năm 1960 LaserRuby của Maiman phát ra các xung ánh sáng đỏ kết hợp cường độ mạnh có bướcsóng 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 cókhả năng dùng làm môi trường hoạt chất laser Một số loại laser chất rắn thôngdụng:

− YAG-Neodym: hoạt chất là Yttrium Aluminium Garnet (YAG) cộng thêm2-5% Neodym, có bước sóng 1060 nm thuộc phổ hồng ngoại gần Có thểphát 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 ionchrom, 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 nmthuộc 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 thểtới megawatt (MW)

Ở mức năng lượng cao, một số electron sẽ rơi ngẫu nhiên xuống mức năng lượngthấp, 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 cácnguyên tử khác, kích thích eletron ở các nguyên tử này rơi xuống tiếp, sinh thêmcác photon cùng tần số, cùng pha và cùng hướng bay, tạo nên một phản ứng dâychuyền khuếch đại dòng ánh sáng

Các hạt photon bị phản xạ qua lại nhiều lần trong vật liệu, nhờ các gương để tănghiệu suất khuếch đại ánh sáng

Một số photon ra ngoài nhờ có gương bán mạ tại một đầu của vật liệu Tia sáng đi rachính 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 truyềnqua 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 bá n mạ

5) tia laser

laser nhiều lần tạo mật độ photon lớn Vì thế cường độ chùm laser được khuếchđại lên nhiều lần Tính chất của laser phụ thuộc vào hoạt chất đó, do đó người tacăn 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 laserkhi được kích hoạt bằng một nguồn năng lượng

Nguồn nuôi: Là nguồn cung cấp năng lượng để duy trì hoạt động của môi trườnghoạt 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 ranhững tia vuông góc với gương, nên hầu như song song với nhau (hay nói theo ngônngữ vật lý là góc mở giữa các tia là rất nhỏ) Nhờ vậy, laser có độ định hướng lýtưởng, có thể chiếu đi rất xa, đến mức người ta có thể dùng laser để đo những khoảngcách trong vũ trụ

b) Tính đơn sắc rất cao

Các tia sáng của laser có mức chênh lệch bước sóng nhỏ nhất, so với cácchùm sáng đơn sắc khác Sự chênh lệch bước sóng này mô tả bởi phổ ánh sáng củachùm ánh sáng Phổ càng hẹp thì độ đơn sắc của chùm sáng càng cao Khi độ rộngvạch của chùm bằng không thì chùm có độ đơn sắc cao nhất Tính chất này rất quantrọng vì hiệu quả tác dụng của laser khi tương tác với vật chất, với các tổ chức sinhhọc 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 thấukính Do đó, ánh sáng đơn sắc có thể được hội tụ vào một tiêu điểm nhỏ hơn nhiều sovới ánh sáng trắng

e) Cường độ sáng lớn

Cường độ là năng lượng của một chùm có kích thước góc nhất định Cường độsáng phụ thuộc vào các tính chất sau:

Tính đồng hướng

Laser phát ra một chùm sáng có độ phân kỳ rất nhỏ Laser chỉ khuếch đạinhững photon đi theo một đường rất hẹp giữa hai gương Quá trình này là một cơ chếrất hiệu quả cho ánh sáng chuẩn trực Ở một laser điển hình, sau mỗi quãng đường 1

m thì đường kính chùm tia tăng thêm khoảng 1 mm Tính đồng hướng giúp cho dễdàng thu được toàn bộ năng lượng ánh sáng thành một 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 trongmặt tiết diện ngang của buồng cộng hưởng sau quá trình sóng truyền đi và về giữahai gương phản xạ Khi chiếu laser lên một mặt thô thì thu được một hình ảnh lấplánh đặc trưng gọi là đốm laser Hiện tượng này là do sự phản xạ không đều của ánhsáng đồng pha cao tạo ra những hình (hoặc đốm) giao thoa không đều Tính đồngpha 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 cạnhkhác của tính đồng pha Tính phân cực trong hệ thống laser cho phép ánh sáng truyềntối 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 tínhđẳng pha của mặt sóng Các laser hoạt động ở chế độ đơn mode dọc hay ngang đượcbiểu 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 giaothoa 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 tínhsống như: quá trình sinh tổng hợp protein, quá trình tích luỹ sinh khối, quá trình hôhấp tế bào Làm gia tăng quá trình phân bào, thay đổi hoạt tính men, thay đổi tínhthấm 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 sựkích thích hô hấp tế bào

Phản ứng chậm (hay gián tiếp) là tác dụng muộn sau hàng giờ hay hàng ngày, biểuhiện 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 vàsau đó các tổ chức bị đông kết lại (gọi là hiệu ứng quang đông) có tác dụng tốtcho 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 củalaser biến thành cơ năng để bóc lớp (không có tác động nhiệt) hay phá sỏi vớixung 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 nàydẫn đến những khác biệt cơ bản khi xây dựng hệ laser cho những ứng dụngkhác 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 laserđược 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 lượngcao nhất có thể trong một thời gian ngắn nhất có thể Có rất nhiều phươngpháp 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 giảthuyết của Albert Einstein Bước sóng (hay màu sắc) của tia sáng phụ thuộc vào sựchênh 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 làmức 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:

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, cácnguyên tử ở mức cơ bản nhận năng lượng của photon ngoài để nhảy lên mức kíchthích

Hình 2 Phát xạ tự phát (a), phát xạ cưỡng bức(b), hấp thụ (c)

Năm 1943 Bohr đề xuất: mỗi nguyên tử bất kỳ gồm một hạt nhân và các điện tửquay theo các quỹ đạo nhất định xung quanh hạt nhân Mỗi quỹ đạo tương ứng vớimột mức năng lượng khác nhau Hạt ở mức năng lượng

1

E , 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

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 P12 12 được tính như sau :B12ρ

dt

dP

=

(2.5)

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 bênngoài 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:

Hình 4 Phát xạ tự phát

Hình 5 Hai photon ε và ε'

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 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 '

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 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 nhaubay cùng phương Hai photon này bay qua 2 nguyên tử trong trạng thái kích thích sẽxuất hiện 4 photon giống nhau bay cùng phương… Do đó số photon tăng theo cấp sốnhân

Vậy quá trình phát xạ cưỡng bức là quá trình khi có tác động của photon cónăng 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, 2sinh ra 4

Xác suất số nguyên tử nhảy xuống mức cơ bản trên một đơn vị thời gian xácđịnh như sau:B21ρ

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:

lượng, không thuận lợi cho sự phát xạ cưỡng bức Do các nguyên tử và phân tử có xuhướng tự rơi xuống các mức năng lượng thấp hơn nên số nguyên tử hay phân tử ởmỗi mức sẽ giảm khi năng lượng tăng Muốn duy trì cơ chế phát xạ cưỡng bức thìphải có số nguyên tử ở trạng thái kích thích nhiều hơn số nguyên tử ở trạng thái nănglượng thấp hơn, sao cho các photon phát xạ có khả năng gây kích thích phát xạ nhiềuhơn là bị hấp thụ Đây chính là nghịch đảo trạng thái cân bằng ban đầu nên nó đượcgọi 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

số lượng lớn ta gọi đây là hiện tượng 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 vàomôi trường này một chùm sáng với 3 photon có năng lượng tuân theo hệ thức:

1

2 E

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 Vậyvới 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

Hình 8 Khuếch đại ánh sáng

Các nguyên tử và phân tử có thể chiếm giữ nhiều mức năng lượng, và mặc dùmột số dịch chuyển trạng thái này có khả năng xảy ra hơn so với một số dịch chuyểntrạng 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

−

= 1

2 với nhiệt độ dương số nguyên tử

ở trạng thái có năng lượng thấp bao giờ cũng lớn hơn số nguyên tử ở trạng thái năng

lượng cao tức là N1>N2 Mà yêu cầu tối thiểu cho sự phát xạ cưỡng bức và khuếchđại, 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 theophân 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 thìdùng 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 dùngphương 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 lớnhơn một giá trị giới hạn, giới hạn đó chính là ngưỡng phát Giá trị ngưỡng này phụthuộc vào sự mất mát xảy ra trong quá trình khuếch đại, quá trình nghịch đảo mật độtích lũy Trong buồng cộng hưởng của laser xảy ra cả hai quá trình: khuếch đạiphoton 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 GIAN3.1 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 lâunữa, các con tàu vũ trụ sẽ lướt vào không gian trên một chùm tia laser, cần rất ít hoặckhông cần chất nổ đẩy và không hề gây ô nhiễm

Ý tưởng được bắt đầu tại Học viện tổng hợp Resselaer ở Troy, bangNew York, Mỹ Động cơ đẩy cải tiến của thế kỷ 21 sử dụng các tia laser đểcung cấp lực đẩy cho phương tiện bằng cách tạo sóng nổ bằng tia laser Khôngquân Hoa Kỳ và NASA đã bắt đầu phát triển kỹ thuật để đưa những vật nhẹlên quỹ đạo thấp của Trái Đất với chi phí khoảng 1,5 triệu đô la Trong sốnhững sự lựa chọn kỹ thuật sẵn có, một phương pháp có tiềm năng thành côngcao là sử dụng một xung laser năng lượng cao dưới đất cung cấp năng lượngcho động cơ Ý tưởng cơ bản đằng sau kỹ thuật đẩy bằng ánh sáng là sử dụngcác 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 sẽlàm 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 ưuđiểm là lực đẩy mạnh và xung lực riêng lớn, kết cấu đơn giản và độ tin cậy caobởi vì có rất ít bộ phận của động cơ chuyển động và hệ thống ống dẫn chất nổđẩy 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 laservới 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 khiphát minh ra laser, các nhà khoa học khi nghiên cứu về laser đã phát hiện rahiện tượng khi laser tập trung vào một khối khí sẽ ion hóa và biến nó thànhplasma, 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 chođộng cơ đẩy tên lửa Một vài nghiên cứu với quy mô phòng thí nghiệm chothấy khả năng thành công của ý tường này Một trong những ý tưởng xuất hiệnđầy hứa hẹn trong thời điểm này là khi một xung laser được bắn vào phần saucủa một gương phản xạ parabol, các tia laser hội tụ tại một lượng chất nổ đẩygây ra một sự đánh thủng, làm nhiệt độ tăng cao, hình thành plasma, nhanhchóng giãn nở Plasma này như một luồng sóng khí siêu âm, phụt ra nhanh tạonên lực đẩy.

Những nghiên cứu trước đây cho thấy sự ăn mòn và hư hỏng bề mặtlàm giảm hiệu suất quá trình hấp thụ laser Raiser đã tính toán (năm 1977) vớicường độ tia laser I = 105 MW/cm2, mật độ khí ρo=1.3×10-3 g/cm2 và tỉ số nhiệtdung riêng γ =1,33 thì vận tốc nổ VLSD = 133 km/s và nhiệt độ cân bằngTequilibrium = 910.000 K Những giá trị này phù hợp với thực nghiệm VLSD = 110km/s và T= 700.000 K Vì vậy, những cải tiến trong tương lai của động cơ đẩyxung laser nhắm đến yêu cầu phải giảm những ảnh hưởng làm hao hụt vật liệutrong 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 laserchiếu 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 tửkhối nhỏ và một lượng nhỏ những hạt ion hoá (như là H2 hay He cộng với Lihay Cs) Sự cải tiến cho phép xung laser năng lượng cao ngắn hơn, nâng caothời gian đẩy và xung lực riêng mạnh hơn

Trong quá khứ, một vài nghiên cứu đã được tiến hành để tìm hiểunhững ảnh hưởng khác nhau, bao gồm ngưỡng cường độ laser đánh thủng trêncác bề mặt khác nhau trong không khí, ảnh hưởng của áp suất và mật độkhông 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 xácđịnh trong không khí ở cùng một áp suất không khí Loại vật liệu phản xạcũng 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 trongviệc lựa chọn vật liệu để làm bề mặt phản xạ Hettche kết luận rằng xung lựctác động lên bề mặt rắn bị ảnh hưởng bởi tương tác giữa năng lượng laser vàkhông khí bị đánh thủng ở bề mặt

Họ cũng chú ý đến áp suất đo được gây ra bởi dòng laser 1×108 đến3×108 W/cm2 áp suất sinh ra khoảng 20 đến 220 atm Tuy nhiên áp suất đođược nhanh chóng giảm sau khi nổ plasma Sự tương tác của áp suất với bềmặt sau khi kết thúc giai đoạn đầu phụ thuộc vào tương tác hỗn hợp giữa độkhông trong suốt do plasma tán sắc với cường độ chùm sáng tới

3.1.3 Cấu tạo của hệ thống

Chùm tia sáng được hội tụ bởi gương parabole ở đáy của con tàu đốt nóngkhông 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 sốchùm năng lượng về phía trước Sức nóng từ chùm laser sẽ tạo ra một cụm khí làmchệch 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 củanhững 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 thứnhất, 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 cháyplasma và lan truyền sóng nổ Sự ion hoá ban đầu của plasma xảy ra khi hội tụchùm laser cường độ cao vào khối khí trong khoang, tạo ra electron tự do Khiplasma 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 sựgiãn nở của khối plasma Sau khi xung laser kết thúc, sóng nổ xuất hiện- vì sựhấp thụ năng lượng cao của plasma Gây ra sự ion hoá nhiều hơn của lớp khílạnh Bởi vì plasma cháy sau 9 ns, trong khi xung laser trong khoảng 30 nsnên năng lượng laser được hấp thụ trong giai đoạn plasma nhiều hơn trong giaiđoạn 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 củaplasma vượt quá biên của khối khí lạnh ở miệng vòi phun, sóng dễ dàng bayhơi vào vùng chân không bên ngoài khối khí, phụt ra ngoài tạo xung lực đẩythiết bị về phía trước

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

( ) ( )

4

2 2

*

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 cácxung laser M là khối lượng phân tử chất nổ đẩy ts là thời gian mồi của sónghơi do nổ

Như đã được lưu ý trong phương trình này, thành phần khối lượng phụtải 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 khốinhỏ, ít gây ô nhiễm hơn so với tên lửa hoá học sử dụng chất nổ đẩy có phân tửkhối 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 nhẹnguyên mẫu nhỏ tại bãi tên lửa White Sands ở bang New Mexico Vào tháng10/2000, con tàu nhẹ thu nhỏ, có đường kính 12,2 cm và chỉ nặng 50 g đã đạtđược độ cao 71 m

Trước khi bay lên khỏi mặt đất, một luồng không khí nén sẽ xoay contàu lên đến vận tốc khoảng 10.000 vòng/phút Khi nó đang lượn xoáy với mộttốc 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 lênphía trên

Còn tại Kazan, các nhà bác học Nga đã chế tạo được mô hình động cơtên lửa laser độc đáo Bước đi quan trọng nhằm chế tạo tàu vũ trụ thế hệ mớigiá rẻ đã được thực hiện Công cuộc chinh phục không gian thường gặp khókhăn 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 mộtchùm 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 plasmachảy 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 loạikhí và chất rắn có khả năng bay hơi Năm 1991, các chuyên gia Liên Xô trìnhbày về động cơ laser tại Đại hội hàng không quốc tế Montreal Do Liên Xôsụp 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 hồisinh, chủ đề này được một số nhóm khoa học thực hiện Nhóm nghiên cứugồm các nhà khoa học từ Kazan đã thu được kết quả xuất sắc, sử dụng dòngđiện 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 đượchướng 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 quangliên tục Các plasma ở trung tâm có nhiệt độ ít nhất là 15 000 K, thổi vào cácchất 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 cácsản 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, ôngAydar Bikmuchev không thấy vấn đề gì về nguồn năng lượng: “Nguồn nănglượng 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 hiệuquả Nếu thay vào đó một lò phản ứng hạt nhân thì kích thước và trọng lượngcủa 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 lượngkhông dây Đã tiến hành một số thử nghiệm về chuyển giao năng lượng chotàu vận tải "Tiến bộ" bằng tia laser Có thể gửi nó qua hàng chục ngàn dặm màkhông có bất kỳ vấn đề gì.”

Sử dụng tia laser hồng ngoại, các nhà khoa học Kazan đã nhận được lựcđẩy phản ứng khoảng 0,5 kg, không đủ để vào quỹ đạo, nhưng quá đủ để địnhhướng lại các thiết bị đang di chuyển trong không gian hoặc chuyển nó tới mộtquỹ 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 MặtTrăng từ quỹ đạo Trái Đất Lực rất nhỏ này từ từ làm quay thiết bị theo vòngxoắn ốc, cho đến khi vòng xoắn mở rộng đường kính bằng đường kính quỹđạo mặt trăng Để làm điều này phải mất một năm và không phải là động cơlaser 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 sẽgiảm 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 cóđịnh hướng tương lai trong lĩnh vực hệ thống định vị không gian và ổn địnhthiết 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, cáctia laser phải tập trung vào tàu vũ trụ thật chính xác Mặc dù khoảng cách xahơn, chùm tia laser cũng không thể có bất cứ sai lệch nào Nếu không, tàu vũtrụ sẽ gặp nạn do không đủ năng lượng Thứ hai, công suất do các tia lasersinh 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 haohụt 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 khíquyển

− 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 contàu nhẹ lên tới độ cao khoảng 152 m Sẽ cần tới tia laser 1 MW để đưa một vệtinh nặng 1kg vào một quỹ đạo thấp Tuy mô hình này được làm bằng loạinhôm 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 thấpcủa Trái Đất Bằng cách chế tạo thiết bị có đường kính 2 m, nặng 100 kg vàoquỹ đạo thấp của Trái Đất ở độ cao 20 m, cần phải sử dụng tia laser có côngsuất 100 MW Sau đó cần phải sử dụng thêm chất nổ đẩy trên thiết bị để có thểlên 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 kmsau khi phóng 15 phút Ước tính chi phí cho một hệ thống nhỏ, sử dụng tialaser 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 kgđược xem như là hệ thống nhỏ nhất được bắt đầu nghiên cứu Tốt nhất nên bắtđầu với những hệ thống nhỏ trước khi xây dựng hệ thống 1 GW, 1000 kg triểnkhai.

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 ởphía trên không khí Khoảng 30% được phản xạ trở lại không gian trong khiphần còn lại được hấp thụ bởi các đám mây, đại dương và vùng đất Tổng sốnăng 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 nhấttrong các nguồn năng lượng mà chúng ta được biết Bức xạ Mặt Trời là sứcnóng, ánh sáng dưới dạng các chùm tia do Mặt Trời phát ra trong quá trình tựđốt 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 MặtTrời dù rất rồi dào nhưng việc khai thác hiệu quả nguồn năng lượng này thìvẫn còn là một câu chuyện dài

Năng lượng Mặt Trời có thể chia làm 2 loại cơ bản: Nhiệt năng vàQuang năng Các tế bào quang điện (Photovoltaic cells - PV) sử dụng côngnghệ 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 điệnhay còn gọi là pin Mặt Trời hiện đang được sử dụng rộng rãi vì chúng rất dễchuyển đổi và dễ dàng lắp đặt trên các tòa nhà và các cấu trúc khác Pin MặtTrời 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 cóđiện 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 Điềubất cập duy nhất là giá thành của pin Mặt Trời đến nay còn cao và tỷ lệ chuyểnđổi năng lượng chưa thật sự cao (13-15%) Trái lại sức nóng của Mặt Trời cóhiệu suất chuyển đổi lớn gấp 4-5 lần hiệu suất của quang điện, và do vậy đơngiá 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 thụđộng 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 khuvực 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 quantrọng hay một sự lựa chọn thay thế cho các thiết bị cung cấp nước nóng thôngthường 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 sẽthành hiện thực trong vòng 1 hoặc 2 thập kỷ tới Điều này đồng nghĩa nhà máyđiện Mặt Trời trên quỹ đạo Trái Đất sẽ trở thành hiện thực trong vòng 30 nămnữa 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 vàhàng chục vệ tinh thu năng lượng Mặt Trời tại quỹ đạo địa tĩnh phía trên xíchđạo Mỗi vệ tinh rộng vài km và có thể thu ánh sáng Mặt Trời tới 24 giờ mỗingày, hiệu quả gấp đôi so với các bản thu năng lượng Mặt Trời đang được sửdụng để biến ánh sáng Mặt Trời thành điện năng Năng lượng sẽ được biến đổithành 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 vàomạng lưới điện

Bộ Năng lượng Mỹ và NASA cùng nhiều nhà khoa học khác đã nghiêncứu ý tưởng khai thác năng lượng Mặt Trời từ vũ trụ trong 40 năm qua Trongtháng 9/2011, các nhà phân tích an ninh quốc gia, chính sách và doanh nghiệpcủa 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 Trờitrên 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 củaHội 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 đanăng lượng từ Mặt Trời và truyền điện về Trái Đất bằng hệ thống truyền tảiđiện không dây

Hình 8 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 cácnước cần hợp các với các đơn vị tư nhân trong đầu tư nghiên cứu tìm ra môhình thích hợp nhất Đây sẽ là giải pháp hữu hiệu giúp loài người giảm phụthuộc vào nhiên liệu hóa thạch như hiện nay

Về phía Nhật Bản, Cơ quan thám hiểm vũ trụ Nhật (JAXA) đang pháttriển một vệ tinh thu thập ánh sáng Mặt Trời trong vũ trụ và gửi xuống mặt đấtqua tia laser Nó sẽ tạo ra điện năng sạch với công suất mà chỉ các nhà máylớn mới có thể sản xuất Theo tính toán của JAXA, một nhà máy vũ trụ nhưthế có thể sản xuất được 1 gigawatt điện

Do nằm trong vùng động đất, nước Nhật đặc biệt quan tâm đến nhữnglựa chọn an toàn khác thay thế cho điện từ những nhà máy hạt nhân Năm vừa