Ứng Dụng Của LASER Trong Nghiên Cứu Vũ Trụ

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 NỘI DUNG I Sơ lược lịch sử phát triển laser II.Những ứng dụng laser nghiên cứu vũ trụ Phóng tàu vũ trụ tia laser Năng lượng mặt trời từ vũ trụ Giải vấn đề rác vũ trụ Dùng tia laser lái chệch hướng thiên thạch Đo khoảng cách trái đất - mặt trăng xác tới milimét Cầu nối laser vệ tinh Sơ lược lịch sử phát triển laser Max Planck chứng minh 1900 thuyết lượng tử lượng ánh sáng Albert Einstein đưa định đề 1916 lý thuyết xạ cưỡng Charles Townes, J.P.Gordon H.J.Zeiger chế tạo thành công maser dạng xung 1953 N.Batsov A.Prokhorov chế tạo thành công maser liên tục Albert Einstein Townes (trái) Gordon (phải) maser amoniac họ tạo đại học Colombia Prokhorov, Townes Basov giải Nobel 1964 Anthus Schawlow công bố 1958 phần lý thuyết laser tạp chí “Physical Review” 1960 Theodora Maiman chế tạo thành công laser Rubi Maiman Laser ruby Phóng tàu vũ trụ tia laser •Ý tưởng: Tàu thoi truyền thống phải mang theo hàng nhiên liệu hai tên lửa đầy lớn  Ý tưởng sử dụng chùm tia laser từ mặt đất cung cấp lượng cho tàu vũ trụ hoạt động Phóng tàu vũ trụ tia laser •Ý tưởng: •Cấu tạo: gồm phần Tia laser carbon dioxit: chiếu từ mặt đất đến tàu, cung cấp lượng cho tàu hoạt động Gương parabole: Phần đáy tàu vũ trụ gương parabole để hội tụ chùm laser vào khoang chứa không khí hay chất nổ đẩy tàu Khoang hút thu: Không khí hướng vào khoang này; không khí bị đốt nóng lên chùm laser, giãn nở đẩy tàu Hydro tàu: Một lượng nhỏ chất nổ đẩy hydro sử dụng để đẩy tàu khí loãng cung cấp đủ không khí Phóng tàu vũ trụ tia laser •Ý tưởng: •Cấu tạo: •Nguyên tắc hoạt động: Xung laser (30ns) chiếu tới, phản xạ mặt gương parabol, hộI tụ vào khối khí chất nổ đẩy khoang hút thu Ion hoá không khí chất nổ đẩy tạo môi trường plasma (9ns) Gia tốc electron ion plasma (21ns) làm tăng nhiệt độ (1000030000 độ C), giãn nở plasma, bán kính Debye tăng lên nhanh (sóng nổ hình thành) tạo xung lực đẩy tàu phía trước Phóng tàu vũ trụ tia laser •Ý tưởng: •Cấu tạo: •Nguyên tắc hoạt động: •Làm Ưu điểm: tàu nhẹ hàng nghìn lần mang theo nhiên liệu Không gây ô nhiễm khí thải không khí, hidro Lực đẩy mạnh xung lực riêng lớn Động đơn giản đáng tin cậy phận động chuyển động Phóng tàu vũ trụ tia laser •Ý tưởng: •Cấu tạo: •Nguyên tắc hoạt động: •Ưu điểm: •Những vấn đề cần tiếp nghiên cứu:làm gương phản xạ khoang hút thu nhằm tránh Lựatục chọn vật liệu hao hụt vật liệu (cường độ laser giới hạn nhôm 59J/cm2 silic oxit 310J/cm2) Lựa chọn chất nổ đầy mang theo tàu (H2 hay He cộng với Li hay Cs) Công suất laser Sự hấp thụ biến dạng tia laser đẩy xuyên qua khí Việc kết nối laser với thiết bị bay suốt trình bay Phóng tàu vũ trụ tia laser •Ý tưởng: •Cấu tạo: •Nguyên tắc hoạt động: •Ưu điểm: •Những vấn đề cần tiếp tục nghiên cứu: •Các nghiệm: Technologies thử nghiệm tàu nhẹ nguyên Côngthử ty Lightcraft mẫu nhỏ bãi tên lửa White Sands bang New Mexico Vào tháng 10/2000, tàu nhẹ thu nhỏ, có đường kính 12,2cm nặng 50g đạt độ cao 71m Năng lượng mặt trời từ vũ trụ Người ta ước tính, mặt đất, 1m2 trung bình nhận 250W từ xạ mặt trời không gian vũ trụ 1m2 nhận 1.366kW (hơn 5000 lần) => Peter Glaser đưa ý tưởng (năm 1968) dùng dàn pin mặt trời gắn vệ tinh quỹ đạo địa tĩnh (quỹ đạo có độ cao 36.000 km đường xích đạo) để thu thập lượng mặt trời Năng lượng mặt trời từ vũ trụ Vấn đề đặt ra: chuyển lượng từ vệ tinh mặt đất Dùng vi sóng tia laser Những khó khăn cần khắc phục: -Kết nối xác chùm tia từ vệ tinh xuống trạm thu mặt đất -Hiệu suất biến đổi lượng từ ánh sáng mặt trời thành laser, vi sóng từ laser, vi sóng thành điện -Chi phí phóng vệ tinh lên quỹ đạo lớn -Độ mở rộng chúm laser, vi sóng từ vệ tinh đến trái đất -Ảnh hưởng chùm tia laser đến sức khoẻ người => Đây nguồn lượng chủ đạo tương lai Giải vấn đề rác vũ trụ Rác vũ trụ gì? •Các loại tên lửa đẩy vệ tinh hỏng hết hạn sử dụng •Các mảnh vỡ sau vụ nổ dụng cụ không gian •Rác thải sinh hoạt tàu vũ trụ trạm vũ trụ có người •Những bu-lông, ốc-vít dụng cụ bị nhà du hành vũ trụ bỏ quên chuyến “đi dạo” không gian Giải vấn đề rác vũ trụ Rác vũ trụ gì? Số lượng (những vật quan sát được) •Đường kính lớn 10cm có gần 14.000 vật, số này, 950 vật thiết bị vũ trụ hoạt động thuộc nhiều quốc gia khác •Đường kính 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 vấn đề rác vũ trụ Rác vũ trụ gì? Số lượng Mối nguy hại •Va chạm với vệ tinh, tàu vũ trụ, phi hành gia 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 vấn đề rác vũ trụ Rác vũ trụ gì? Số lượng Mối nguy hại Phương án giải •Giảm số lượng thiết bị phóng, đồng thời tăng tuổi thọ hoạt động chúng sử dụng vệ tinh đa •Các vệ tinh hết hạn sử dụng phải có kho lưu giữ nhiên liệu để đưa xuống tầng thấp khí đốt cháy, đặt quỹ đạo có vệ tinh (ở độ cao 200-300km phía quỹ đạo địa tĩnh.) •Phát triển dự án "quét" rác vũ trụ Giải vấn đề rác vũ trụ Rác vũ trụ gì? Số lượng Mối nguy hại Phương án giải Các dự án "quét" rác vũ trụ •Dùng tên lửa, nạp đầy nước động bổ sung, để bắn vật thể lớn số rác vũ trụ tạo vụ nổ có định hướng va chạm, mà sau mảnh vỡ bay mặt đất cháy hết tầng khí •Dùng máy laser từ mặt đất (với định hướng rada) bắn phá rác vũ trụ, làm chúng bay hoàn toàn Dùng tia laser lái chệch hướng thiên thạch Mối nguy hại từ thiên thạch •Vừa di chuyển vừa xoay tròn không gian theo cách khó dự đoán •Đường bay chúng thay đổi theo thời gian Họat động thiên thạch thất thường Dùng tia laser lái chệch hướng thiên thạch Mối nguy hại từ thiên thạch Phát xác định đường bay thiên thạch •Dùng đài quan sát đa (phát thiên thạch khoảng cách cách Trái đất khoảng triệu dặm) •Đang phát triển hệ thống vệ tinh dùng tia laser (phát thiên thạch khoảng cách lên đến 93 triệu dặm-khoảng đơn vị thiên văn) Dùng tia laser lái chệch hướng thiên thạch Mối nguy hại từ thiên thạch Phát xác định đường bay thiên thạch Phương án chống thiên thạch •Một tàu vũ trụ có mang hệ thống laser phóng lên để làm thay đổi đường bay vật thể Hệ thống laser đặt gần tiểu hành tinh phát tia laser có xung động ngắn khoảng thời gian tháng Điều đủ để làm tiểu hành tinh di chuyển chệch khỏi quĩ đạo gây nguy hiểm cho Trái Đất •Phóng đầu đạn hạt nhân vào thiên thạch để phá huỷ thiên thạch •Đưa nhóm nhà phi hành lên thiên thạch để đặt chất nổ nhằm phá hủy Đo khoảng cách trái đất - mặt trăng xác tới milimét! Nguyên tắc: •Từ đài thiên văn bang New Mexico (Mỹ), người ta gắn máy phóng laser với công suất cực lớn (1 Gigawatt) Mỗi giây phóng khoảng 20 chùm laser tới mặt trăng Ở đó, tia laser đươc phản xạ trở lại trái đất nhờ gương phản chiếu Dựa vào thời gian hạt photon ánh sáng, nhà khoa học tính khoảng cách mặt trăng trái đất •Theo tính toán, số 30 triệu photon bắn lên mặt trăng, có hạt gặp gương phản chiếu Và xác suất để hạt quay trở lại trái đất phần 30 triệu Chiếc gương phản chiếu lắp đặt mặt trăng năm 1969, chuyến thám hiểm phi đoàn Apollo Đo khoảng cách trái đất - mặt trăng xác tới milimét! Nguyên tắc: Ứng dụng: •Kiểm nghiệm nguyên lý đồng Einstein “Hai vật thể có cấu tạo khác nhau, trường hấp dẫn, chịu tác động gia tốc giống nhau.” •Khám phá xem liệu trọng lượng vật có giảm vũ trụ giãn nở hay không? Cầu nối laser vệ tinh Thử nghiệm • Các nhà khoa học sử dụng hệ thống laser có tên SILEX (do Cơ quan Vũ trụ châu Âu ESA Cơ quan Vũ trụ Pháp CNES triển khai) để nối vệ tinh Artemis (bay quỹ đạo địa tĩnh, cách trái đất 31.000 km) với vệ tinh thiên văn SPOT (di chuyển với tốc độ 7.000 m/s độ cao 832 km) • Chùm laser có đường kính vài mét điều chỉnh tinh vi, cho phép SPOT chuyển lượng liệu lớn với tốc độ megabits giây tới Artemis Vệ tinh SPOT quỹ đạo cách trái đất 832 km Cầu nối laser vệ tinh Thử nghiệm Ưu điểm • Đường truyền laser gọn hơn, chắn cần lượng hệ thống thu - phát sóng vô tuyến • Rút ngắn thời gian truyền tin từ vệ tinh quỹ đạo thấp xuống mặt đất • Đường truyền laser tỏ ổn định 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 số trang web khác