Nam châm có thể giúp vệ tinh hoạt động không cần nhiên liệu

Mặc dù nhận được điện từ tấm pin mặt trời, nhưng chúng di chuyển bằng động cơ đẩy đốt nhiên liệu. Một khi hết nhiên liệu thì vệ tinh trở thành vật vô dụng ngoài không gian.

Nếu có cách khiến vệ tinh di chuyển mà không cần dùng nhiên liệu, các hệ thống quan trọng này sẽ hoạt động lâu hơn và làm được nhiều việc hơn. Công ty khởi nghiệp Zenno Astronautics của New Zealand giới thiệu một giải pháp đầy hứa hẹn: nam châm siêu dẫn.

Tạp chí Space cho biết đầu tháng qua, Zenno Astronautics vừa hoàn thành đợt thử nghiệm đầu tiên trên quỹ đạo với bộ nam châm Z01 Supertorquer dùng trong vệ tinh Mira do công ty Impulse Space vận hành. Nam châm đặt dọc trục quay, nhận điện từ tấm pin mặt trời rồi tạo ra từ trường tương tác với từ trường Trái đất.

Trong khí quyển, lực này không đủ mạnh để vượt qua áp suất lẫn ma sát của không khí. Tuy nhiên mật độ không khí ở quỹ đạo Trái đất tầm thấp cực kì loãng, nên áp suất lẫn ma sát giảm đáng kể.

Trước mắt Zenno Astronautics chỉ hướng đến phát triển bộ nam châm đủ sức điều khiển hướng di chuyển của vệ tinh, qua đó giúp kéo dài tuổi thọ sử dụng cũng như tiết kiệm một lượng nhiên liệu khổng lồ. Nếu quá trình phát triển diễn ra tốt đẹp trong tương lai, công ty hi vọng có thể cho ra thiết bị mạnh mẽ đến mức đẩy vệ tinh di chuyển. Thậm chí với kịch bản lí tưởng nhất thì cả hàng hóa lẫn phi hành gia cũng được đưa lên Mặt trăng hay sao Hỏa bằng nam châm.

Nam châm siêu dẫn

Siêu dẫn là hiện tượng electron di chuyển trong mạch mà không gặp điện trở, qua đó tạo ra dòng điện lớn hơn và từ trường mạnh hơn với cùng công suất đầu vào cùng kích thước vật lý.

Hiện tượng này thường chỉ đạt được ở nhiệt độ cực thấp, thường chỉ cao hơn vài độ so với độ không tuyệt đối. Thế nhưng nhờ sự xuất hiện của nhiều loại vật liệu mới, khó khăn dần được khắc phục.

Thiết bị của Zenno Astronautics hoạt động ở nhiệt độ -200^oC. Công ty sử dụng bơm nhiệt để giữ cho dây dẫn luôn lạnh. Mặc dù vũ trụ là khoảng không, vệ tinh vẫn được chiếu sáng bởi ánh mặt trời nên nhiệt độ của Mira có thể tăng khoảng 20 ^oC.

Bộ nam châm đem lại nhiều lợi ích. Đầu tiên, ngoài không gian khối lượng là yếu tố cực kì quan trọng. Khối lượng nhiên liệu càng ít càng tốt.

Thứ hai, đơn vị vận hành vệ tinh vô cùng cẩn thận khi điều chỉnh vị trí vì mỗi lần dùng động cơ đẩy đều tiêu hao lượng nhiên liệu duy nhất mà vệ tinh có. Nếu chuyển qua dùng nam châm, họ tự do thực hiện bất cứ chuyển động nào.

Điều này đem lại ứng dụng hoàn toàn mới. NASA hình dung rằng bộ nam châm siêu dẫn có thể cho phép nhiều vệ tinh kết hợp lại thành thấu kính viễn vọng sở hữu khả năng điều chỉnh cao hơn loạt thấu kính đặt cố định trên kính viễn vọng dưới Trái đất như James Webb hay Nancy Grace Roman.

Tiếp liệu ngoài không gian

Bên cạnh ý tưởng từ Zenno Astronautics, giới nghiên cứu còn đẩy mạnh tìm kiếm giải pháp tiếp liệu cho vệ tinh đang trên quỹ đạo.

Hướng nghiên cứu thứ nhất là phóng tàu vũ trụ trực tiếp đem nhiên liệu lên vệ tinh. Tàu khi tiếp cận thành công sẽ kết nối, nạp nhiên liệu rồi rời đi.

Một hướng khác là triển khai kho nhiên liệu quỹ đạo lâu dài. Vệ tinh tự tiếp cận để nạp nhiên liệu.

2 giải pháp trên đòi hỏi phải sử dụng loạt công nghệ radar, LiDAR, cảm biến quang học độ chính xác cao để theo dõi vệ tinh theo thời gian thực. Các thuật toán dẫn hướng tự động tính toán điều chỉnh vi mô (mức mili giây) giúp khớp quỹ đạo tránh va chạm.

Vệ tinh hiện đại thường có cổng tiếp liệu tiêu chuẩn dễ dàng cắm trực tiếp ống truyền. Tuy nhiên vệ tinh cũ thường dùng van niêm phong 3 lớp được bọc trong tấm chăn cách nhiệt, đòi hỏi tàu tiếp liệu phải sử dụng cách tay robot cắt xuyên qua rồi tháo nắp bình nhiên liệu.