I HC QUC GIA TP HCM TRNG I

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 của laser trong nghiên cứu vũ trụ 1. 2. 3. 4. 5. 6. Phóng tàu vũ trụ bằng tia laser Năng lượng mặt trời từ vũ trụ. Giải quyết vấn đề rác vũ trụ Dùng tia laser lái chệch hướng thiên thạch Đo khoảng cách trái đất - mặt trăng chính xác tới milimét Cầu nối laser giữa các vệ tinh

Sơ lược lịch sử phát triển laser Max Planck chứng minh 1900 thuyết lượng tử năng lượng của ánh sáng Albert Einstein đưa ra định đề 1916 về lý thuyết của bức xạ cưỡng bức Charles Townes, J. P. Gordon và H. J. Zeiger chế tạo thành 1953 công maser dạng xung N. Batsov và A. Prokhorov chế tạo thành công maser liên tục Anthus Schawlow công bố 1958 phần lý thuyết về laser trên tạp chí “Physical Review” 1960 Albert Einstein Townes (trái) và Gordon (phải) và maser amoniac do họ tạo ra tại đại học Colombia Prokhorov, Townes và Basov tại giải Nobel 1964 Theodora Maiman chế tạo thành công laser Rubi đầu tiên Maiman và Laser ruby đầu tiên

Phóng tàu vũ trụ bằng tia laser • Ý tưởng: Tàu con thoi truyền thống phải mang theo hàng tấn nhiên liệu và hai tên lửa đầy lớn. Ý tưởng sử dụng một chùm tia laser từ mặt đất cung cấp năng lượng cho tàu vũ trụ hoạt động

Phóng tàu vũ trụ bằng tia laser • Ý tưởng: • Cấu tạo: gồm 4 phần chính Tia laser carbon dioxit: được chiếu từ mặt đất đến tàu, cung cấp năng lượng cho tàu hoạt động. Gương parabole: Phần đáy của tàu vũ trụ là một gương parabole để hội tụ chùm laser vào khoang chứa không khí hay chất nổ đẩy trên tàu. Khoang hút thu: Không khí được hướng vào trong khoang này; tại đây không khí bị đốt nóng lên bởi chùm laser, giãn nở ra và đẩy con tàu đi. Hydro trên tàu: Một lượng nhỏ chất nổ đẩy hydro được sử dụng để đẩy tàu khi khí quyển quá loãng không thể cung cấp đủ không khí.

Phóng tàu vũ trụ bằng tia laser • Ý tưởng: • Cấu tạo: • Nguyên tắc hoạt động: Xung laser (30 ns) chiếu tới, phản xạ trên mặt gương parabol, hộI tụ vào khối khí hoặc chất nổ đẩy trong khoang hút thu. Ion hoá không khí hoặc chất nổ đẩy tạo môi trường plasma (9 ns) Gia tốc electron và ion trong plasma (21 ns) làm tăng nhiệt độ (1000030000 độ C), giãn nở plasma, bán kính Debye tăng lên rất nhanh (sóng nổ hình thành) tạo ra xung lực đẩy tàu về phía trước.

Phóng tàu vũ trụ bằng tia laser • • Ý tưởng: Cấu tạo: Nguyên tắc hoạt động: Ưu điểm: Làm con tàu nhẹ hơn hàng nghìn lần do không phải mang theo nhiên liệu. Không gây ô nhiễm vì khí thải là không khí, hidro Lực đẩy mạnh và xung lực riêng lớn Động cơ đơn giản và đáng tin cậy do ít bộ phận của động cơ chuyển động

Phóng tàu vũ trụ bằng tia laser • Ý tưởng: • Cấu tạo: • Nguyên tắc hoạt động: • Ưu điểm: • Những vấn đề cần tiếp tục nghiên cứu: Lựa chọn vật liệu làm gương phản xạ và khoang hút thu nhằm tránh sự hao hụt vật liệu (cường độ laser giới hạn của nhôm là 59 J/cm 2 và silic oxit là 310 J/cm 2) Lựa chọn chất nổ đầy mang theo tàu (H 2 hay He cộng với Li hay Cs) Công suất của laser Sự hấp thụ và biến dạng của tia laser đẩy khi xuyên qua khí quyển Việc kết nối laser với thiết bị bay trong suốt quá trình bay

Phóng tàu vũ trụ bằng tia laser • Ý tưởng: • Cấu tạo: • Nguyên tắc hoạt động: • Ưu điểm: • Những vấn đề cần tiếp tục nghiên cứu: • Các thử nghiệm: Công ty Lightcraft Technologies đã thử nghiệm một tàu nhẹ nguyên mẫu nhỏ tại bãi tên lửa White Sands ở bang New Mexico. Vào tháng 10/2000, con tàu nhẹ thu nhỏ, có đường kính 12, 2 cm và chỉ nặng 50 g đã đạt được độ cao 71 m

Năng lượng mặt trời từ vũ trụ. Khủng hoảng năng lượng toàn cầu và ô nhiễm môi trường hướng đến sử dụng năng lượng mặt trời vì đây là nguồn năng lượng sạch, vô tận. Sử dụng các tấm pin mặt trời để biến ánh áng mặt trời thành điện năng. Năng lương mặt trời thu từ mặt đất bị ảnh hưởng bởi hiện tượng ngày đêm, mây, mưa, … Hiệu suất không cao

Năng lượng mặt trời từ vũ trụ. Người ta ước tính, trên mặt đất, 1 m 2 trung bình chỉ nhận được 250 W từ bức xạ mặt trời trong khi trên không gian vũ trụ 1 m 2 nhận được 1. 366 k. W (hơn 5000 lần) => Peter Glaser đã đưa ra ý tưởng (năm 1968) dùng các dàn pin mặt trời gắn trên vệ tinh ở quỹ đạo địa tĩnh (quỹ đạo có độ cao 36. 000 km trên đường xích đạo) để thu thập năng lượng mặt trời.

Năng lượng mặt trời từ vũ trụ. Vấn đề đặt ra: chuyển năng lượng từ vệ tinh về mặt đất. Dùng vi sóng hoặc tia laser Những khó khăn cần khắc phục: - Kết nối chính xác chùm tia từ vệ tinh xuống trạm thu trên mặt đất. - Hiệu suất biến đổi năng lượng từ ánh sáng mặt trời thành laser, vi sóng và từ laser, vi sóng thành điện năng. - Chi phí phóng vệ tinh lên quỹ đạo còn quá lớn - Độ mở rộng của chúm laser, vi sóng từ vệ tinh đến trái đất. - Ảnh hưởng của chùm tia laser đến sức khoẻ con người. => Đây là nguồn năng lượng chủ đạo trong tương lai.

Giải quyết vấn đề rác vũ trụ Rác trên vũ trụ là gì? • Các loại tên lửa đẩy và các vệ tinh hỏng hoặc hết hạn sử dụng • Các mảnh vỡ sau các vụ nổ của các dụng cụ không gian • Rác thải sinh hoạt của các con tàu vũ trụ hoặc các trạm vũ trụ có người ở • Những bu-lông, ốc-vít và cả các dụng cụ bị các nhà du hành vũ trụ bỏ quên trong những chuyến “đi dạo” trong không gian.

Giải quyết vấn đề rác vũ trụ Rác trên vũ trụ là gì? Số lượng (những vật quan sát được) • Đường kính lớn hơn 10 cm có gần 14. 000 vật, trong số này, 950 vật là các thiết bị vũ trụ đang hoạt động thuộc nhiều quốc gia khác nhau. • Đường kính dưới 10 cm khoảng 200. 000 đến 250. 000 vật • Đường kính từ 0, 1– 1 cm có khoảng 70 -80 triệu vật • Các vật vi lượng vào khoảng 1013 đến 1014 vật.

Giải quyết vấn đề rác vũ trụ Rác trên vũ trụ là gì? Số lượng Mối nguy hại • Va chạm với các vệ tinh, các tàu vũ trụ, các phi hành gia ngoải không gian • Gây ô nhiễm phóng xạ không gian quanh trái đất, ảnh hưởng đến trái đất, làm ô nhiễm bề mặt trái đất

Giải quyết vấn đề rác vũ trụ Rác trên vũ trụ là gì? Số lượng Mối nguy hại Phương án giải quyết • Giảm số lượng thiết bị được phóng, đồng thời tăng tuổi thọ hoạt động của chúng và sử dụng các vệ tinh đa năng. • Các vệ tinh hết hạn sử dụng sẽ phải được có một kho lưu giữ nhiên liệu để được đưa xuống tầng thấp hơn của khí quyển và đốt cháy, hoặc đặt tại các quỹ đạo ít có vệ tinh. (ở độ cao 200 -300 km phía trên quỹ đạo địa tĩnh. ) • Phát triển các dự án "quét" rác vũ trụ

Giải quyết vấn đề rác vũ trụ Rác trên vũ trụ là gì? Số lượng Mối nguy hại Phương án giải quyết Các dự án "quét" rác vũ trụ • Dùng tên lửa, được nạp đầy nước và động năng bổ sung, để bắn những vật thể lớn trong số rác vũ trụ. tạo được vụ nổ có định hướng khi va chạm, mà sau đó các mảnh vỡ sẽ bay về mặt đất và cháy hết trong các tầng khí quyển. • Dùng các máy laser từ mặt đất (với sự định hướng của rada) bắn phá rác trên vũ trụ, làm chúng bay hơi hoàn toàn.

Dùng tia laser lái chệch hướng thiên thạch Mối nguy hại từ thiên thạch • Vừa di chuyển vừa xoay tròn trong không gian theo một cách khó có thể dự đoán • Đường bay của chúng cũng có thể thay đổi theo thời gian Họat động của các thiên thạch rất thường

Dùng tia laser lái chệch hướng thiên thạch Mối nguy hại từ thiên thạch Phát hiện và xác định đường bay của thiên thạch • Dùng đài quan sát ra đa (phát hiện các thiên thạch ở khoảng cách Trái đất khoảng 9 triệu dặm) • Đang phát triển hệ thống vệ tinh dùng tia laser (phát hiện thiên thạch ở khoảng cách lên đến 93 triệu dặm-khoảng một đơn vị thiên văn)

Dùng tia laser lái chệch hướng thiên thạch Mối nguy hại từ thiên thạch Phát hiện và xác định đường bay của thiên thạch Phương án chống thiên thạch • Một con tàu vũ trụ có mang hệ thống laser sẽ được phóng lên để làm thay đổi đường bay của vật thể đó. Hệ thống laser đó sẽ được đặt gần một tiểu hành tinh và nó sẽ phát ra tia laser có xung động ngắn trong khoảng thời gian 6 tháng. Điều đó đủ để làm tiểu hành tinh đó di chuyển chệch ra khỏi quĩ đạo có thể gây nguy hiểm cho Trái Đất. • Phóng đầu đạn hạt nhân vào thiên thạch để phá huỷ thiên thạch • Đưa một nhóm nhà phi hành lên thiên thạch để đặt chất nổ nhằm phá hủy nó

Đo khoảng cách trái đất - mặt trăng chính xác tới milimét! Nguyên tắc: • Từ một đài thiên văn ở bang New Mexico (Mỹ), người ta gắn một máy phóng laser với công suất cực lớn (1 Gigawatt). Mỗi giây nó phóng khoảng 20 chùm laser tới mặt trăng. Ở đó, tia laser đươc phản xạ trở lại trái đất nhờ một gương phản chiếu. Dựa vào thời gian đi về của các hạt photon ánh sáng, các nhà khoa học tính ra khoảng cách giữa mặt trăng và trái đất. • Theo tính toán, trong số 30 triệu photon được bắn lên mặt trăng, chỉ có một hạt gặp được gương phản chiếu. Và xác suất để hạt này có thể quay trở lại trái đất cũng chỉ bằng một phần 30 triệu. Chiếc gương phản chiếu này được lắp đặt trên mặt trăng năm 1969, trong chuyến thám hiểm của phi đoàn Apollo.

Đo khoảng cách trái đất - mặt trăng chính xác tới milimét! Nguyên tắc: Ứng dụng: • Kiểm nghiệm nguyên lý đồng nhất của Einstein. “Hai vật thể có cấu tạo khác nhau, nhưng ở trong cùng một trường hấp dẫn, nó chịu tác động của một gia tốc giống nhau. ” • Khám phá xem liệu trọng lượng của một vật có giảm đi khi vũ trụ giãn nở hay không?

Cầu nối laser giữa các vệ tinh Thử nghiệm • Các nhà khoa học đã sử dụng hệ thống laser có tên là SILEX (do Cơ quan Vũ trụ châu u ESA và Cơ quan Vũ trụ Pháp CNES triển khai) để nối vệ tinh Artemis (bay ở quỹ đạo địa tĩnh, cách trái đất 31. 000 km) với vệ tinh thiên văn SPOT 4 (di chuyển với tốc độ 7. 000 m/s ở độ cao 832 km). • Chùm laser có đường kính vài mét được điều chỉnh tinh vi, cho phép SPOT 4 chuyển lượng dữ liệu lớn với tốc độ 5 megabits trong một giây tới Artemis. Vệ tinh SPOT 4 ở quỹ đạo cách trái đất 832 km.

Cầu nối laser giữa các vệ tinh Thử nghiệm Ưu điểm • Đường truyền laser gọn hơn, chắc chắn hơn và cần ít năng lượng hơn hệ thống thu - phát sóng vô tuyến. • Rút ngắn thời gian truyền tin từ các vệ tinh ở quỹ đạo thấp xuống mặt đất • Đường truyền bằng laser cũng tỏ ra ổn định hơn rất nhiều

TÀI LI ỆU THAM KHẢO 1. Douglas Feikema, Analysis of the Laser Propelled Lightcraft Vehicle, Glenn Research Center, Cleveland, Ohio, June 2000. 2. www. Wikipedia. com 3. www. How. Stuff. Works. com 4. www. tin 24. com 5. Và một số trang web khác