1. TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
KHOA VẬT LÝ
ỨNG DỤNG CỦA
TRONG NGHIÊN CỨU VŨ TRỤ
HV thực hiện: Phùng Văn Hưng
Mã số HV:

3. NỘI DUNG Sơ lược lịch sử phát triển laser
Những ứng dụng của laser trong nghiên cứu vũ trụ
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

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

5. 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

6. 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.

7. Phóng tàu vũ trụ bằng tia laser
Ý tưởng:
Cấu tạo:
Nguyên tắc hoạt động:
Xung laser (30ns) chiếu tới, phản xạ trên mặt gương parabol, hộI tụ vào khối khí hoặc chất nổ đẩy trong khoang hút thu.
Ion hoá không khí hoặc chất nổ đẩy tạo môi trường plasma (9ns)
Gia tốc electron và ion trong plasma (21ns) làm tăng nhiệt độ ( 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.

8. 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

9. 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 59J/cm2 và silic oxit là 310J/cm2)
Lựa chọn chất nổ đầy mang theo tàu (H2 hay He cộng với Li hay Cs)
Công suất của laser
Sự hấp thụ và biến dạng của tia laser đẩy khi xuyên qua khí quyển
Việc kết nối laser với thiết bị bay trong suốt quá trình bay

10. 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 12,2cm và chỉ nặng 50g đã đạt được độ cao 71m

11. 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

12. Năng lượng mặt trời từ vũ trụ.
Người ta ước tính, trên mặt đất, 1m2 trung bình chỉ nhận được 250W từ bức xạ mặt trời trong khi trên không gian vũ trụ 1m2 nhận được 1.366kW (hơn 5000 lần)
=> Peter Glaser đã đưa ra ý tưởng (năm 1968) dùng các dàn pin mặt trời gắn trên vệ tinh ở quỹ đạo địa tĩnh (quỹ đạo có độ cao km trên đường xích đạo) để thu thập năng lượng mặt trời.

13. 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.

14. 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.

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

16. 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

17. 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 km phía trên quỹ đạo địa tĩnh.)
Phát triển các dự án "quét" rác vũ trụ

18. 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.

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

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

21. 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

22. 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.

23. 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?

24. Vệ tinh SPOT 4 ở quỹ đạo cách trái đất 832 km.
Cầu nối laser giữa các vệ tinh
Thử nghiệm
Các nhà khoa học đã sử dụng hệ thống laser có tên là SILEX (do Cơ quan Vũ trụ châu Âu ESA và Cơ quan Vũ trụ Pháp CNES triển khai) để nối vệ tinh Artemis (bay ở quỹ đạo địa tĩnh, cách trái đất km) với vệ tinh thiên văn SPOT 4 (di chuyển với tốc độ 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.

25. 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

26. TÀI LI ỆU THAM KHẢO
Douglas Feikema, Analysis of the Laser Propelled Lightcraft Vehicle, Glenn Research Center, Cleveland, Ohio, June 2000.
www. HowStuffWorks.com
Và một số trang web khác