Cánh buồm ánh sáng đẩy tàu vũ trụ bằng cách nào?
Vật lý 10 • Khám phá mở rộng
Cánh buồm ánh sáng nhận lực đẩy khi photon từ Mặt Trời truyền động lượng cho bề mặt buồm. Buồm phản xạ lớn và nhẹ giúp tận dụng lực rất nhỏ ấy trong thời gian dài. Không khí hay một luồng gió thông thường không cần có mặt. [1]
Không có khối lượng nghỉ vẫn có động lượng
Trong đời sống, ta thường hình dung lực đẩy là một vật nặng va vào vật khác. Nhưng ánh sáng mang cả năng lượng lẫn động lượng. Khi photon bị phản xạ, động lượng của nó đổi hướng; buồm nhận phần động lượng tương ứng.
Vì vậy câu “photon không có khối lượng nghỉ nên không thể đẩy gì” là hiểu nhầm. Không thể lấy trực giác về một viên bi đứng yên rồi áp dụng nguyên xi cho ánh sáng. [2]
Lực đẩy này rất nhỏ so với lực của tên lửa. Đổi lại, buồm không cần liên tục phun một kho nhiên liệu hữu hạn để tạo chính lực đẩy từ ánh sáng. Một tác dụng nhỏ nhưng kéo dài có thể tạo thay đổi đáng kể trong chuyển động.
Buồm đổi hướng ra sao?
Buồm không chỉ quay thẳng mặt về phía Mặt Trời. Đổi góc của một bề mặt phản xạ sẽ đổi hướng ánh sáng phản xạ và hướng lực tác dụng lên buồm. Nhờ phối hợp hướng lực với chuyển động quỹ đạo, tàu có thể thay đổi quỹ đạo theo cách được thiết kế.
Không nên kết luận ánh sáng chỉ có thể làm tàu “chạy thẳng ra xa Mặt Trời”. Trong một quỹ đạo, thay đổi chuyển động không đơn giản như kéo vật trên một mặt bàn.
Ba công nghệ dễ bị nhầm
Pin quang điện biến năng lượng ánh sáng thành điện. Buồm ánh sáng sử dụng trực tiếp sự trao đổi động lượng. Còn gió Mặt Trời là dòng hạt vật chất từ Mặt Trời; nó không phải các photon đang đẩy loại buồm đang nói tới.
Buồm vẫn cần được đưa lên không gian, triển khai và điều khiển. Nó cũng không có lực đẩy như nhau ở mọi nơi: ánh sáng Mặt Trời yếu dần khi khoảng cách tăng. Khối lượng và diện tích buồm là những yếu tố thiết kế quan trọng.
Ứng dụng này mở rộng ý nghĩa của động lượng lớp 10: khả năng trao đổi động lượng không chỉ xuất hiện trong va chạm giữa những vật rắn mà mắt thường thấy được.
Kết nối với bài học
Đọc thêm: Động lượng là vectơ hay đại lượng vô hướng.
Chương trình Vật lý 10 · Trợ lý AI Ước Mơ Lớn.
Nguồn tham khảo
Ánh sáng có thể đẩy buồm. Phản xạ làm đổi động lượng photon.