Trong thập kỷ qua, hàng ngàn hành tinh đã được phát hiện ngoài Hệ Mặt trời của chúng ta. Điều này đã có tác dụng làm mới mối quan tâm trong việc thám hiểm không gian, bao gồm khả năng gửi tàu vũ trụ để khám phá các ngoại hành tinh. Trước những thách thức liên quan, một số khái niệm tiên tiến hiện đang được khám phá, giống như khái niệm được tôn vinh theo thời gian của một cánh buồm nhẹ (như được minh họa bởi Starshot đột phá và các đề xuất tương tự).
Tuy nhiên, trong những năm gần đây, các nhà khoa học đã đề xuất một khái niệm có khả năng hiệu quả hơn được gọi là cánh buồm điện, trong đó một cánh buồm gồm lưới thép tạo ra các điện tích để làm chệch hướng các hạt gió mặt trời, do đó tạo ra động lượng. Trong một nghiên cứu gần đây, hai nhà khoa học Harvard đã so sánh và đối chiếu các phương pháp này để xác định phương pháp nào sẽ có lợi hơn cho các loại nhiệm vụ khác nhau.
Nghiên cứu, gần đây đã xuất hiện trực tuyến và đang được xem xét để công bố bởi Phi hành gia Acta, được thực hiện bởi Manasavi Lingam và Abraham Loeb - một giáo sư trợ lý tại Viện Công nghệ Florida (FIT) và Giáo sư Khoa học Frank B. Baird Jr. tại Đại học Harvard và Giám đốc của Viện Lý thuyết và Tính toán (ITC), tương ứng.
Khái niệm về một cánh buồm nhẹ là một thời gian được tôn vinh, trong đó một tàu vũ trụ được trang bị một tấm vật liệu phản chiếu lớn sử dụng áp suất bức xạ của một ngôi sao (còn gọi là gió mặt trời) để tăng tốc theo thời gian. Một lợi thế lớn của công nghệ này là nó không yêu cầu tàu vũ trụ vận chuyển nguồn cung cấp nhiên liệu của riêng mình, thường chiếm phần lớn khối lượng tàu vũ trụ.
Điều này đặc biệt quan trọng khi nói về việc di chuyển giữa các vì sao vì khối lượng phản ứng cần thiết để đạt tới một phần nhỏ tốc độ ánh sáng (c) sẽ rất lớn. Và không giống như các khái niệm như lực đẩy phản vật chất hoặc các khái niệm dựa trên vật lý vẫn chưa được kiểm chứng (hoặc thậm chí là giả thuyết), các cánh buồm mặt trời / ánh sáng sử dụng công nghệ và vật lý hoàn toàn được chứng minh vào thời điểm này.
Một lợi thế khác là thực tế là một cánh buồm nhẹ có thể được tăng tốc bằng cách sử dụng các phương tiện khác ngoài bức xạ mặt trời. Như Lingam đã giải thích với Tạp chí Vũ trụ qua email:
Các cánh buồm của ánh sáng có thể được đẩy ra bởi các mảng laser hoặc bức xạ mặt trời / sao. Trong cả hai trường hợp, ưu điểm chính của cánh buồm nhẹ là người ta không cần phải mang nhiên liệu trên tàu không giống như tên lửa hóa học. Điều này làm giảm đáng kể khối lượng của tàu vũ trụ vì phần lớn khối lượng trong tên lửa hóa học là do nhiên liệu. Ưu điểm tương tự cũng được áp dụng cho các cánh buồm điện.
Tuy nhiên, trong những năm gần đây, các biến thể của khái niệm này đã được phát triển, như cánh buồm từ (hay còn gọi là magsails, được đề xuất bởi Robert Zubrin và Dana Andrews năm 1988, và cánh buồm điện được đề xuất bởi Pekka Janhunen vào năm 2006. Trong trường hợp trước đây, một vòng siêu dẫn sẽ tạo ra một điện trường trong khi vòng thứ hai sẽ tạo ra từ trường thông qua một dây dẫn nhỏ - cả hai đều đẩy lùi gió mặt trời.
Những khái niệm này có một số khác biệt đáng chú ý từ các cánh buồm mặt trời hoặc ánh sáng thông thường. Như Lingam đã giải thích:
Các cánh buồm điện dựa trên sự truyền động lượng từ các hạt gió mặt trời / sao tích điện (ví dụ của chúng ta) bằng cách làm chệch hướng chúng qua các điện trường, trong khi các cánh buồm nhẹ dựa vào sự truyền động lượng từ các photon phát ra từ ngôi sao. Do đó, gió của ngôi sao điều khiển cánh buồm điện, trong khi bức xạ điện từ phát ra từ ngôi sao điều khiển cánh buồm nhẹ.
Điều thú vị là, các cánh buồm từ tính đã được một số nhà nghiên cứu coi là một phương tiện khả thi để làm chậm một cánh buồm nhẹ khi nó đến gần đích. Một cá nhân như vậy là Giáo sư Claudius Gros thuộc Viện Vật lý lý thuyết Đại học Goethe Frankfurt, và Andreas Hein và Kelvin F. Long - Các nhà điều tra chính của Dự án Dragonfly (một khái niệm tương tự như Starshot đột phá).
Tất cả ba khái niệm có khả năng chuyển đổi bức xạ phát ra từ các ngôi sao thành động lượng nhưng cũng đi kèm với những bất lợi của chúng. Đối với người mới bắt đầu, cánh buồm điện phụ thuộc rất nhiều vào các thuộc tính của các ngôi sao chủ của chúng. Mặt khác, các cánh buồm nhẹ trở nên kém hiệu quả khi nói đến các ngôi sao loại M (sao lùn đỏ) vì áp suất bức xạ không đủ cao để tạo ra vận tốc đủ để thoát khỏi hệ sao.
Đây là một vấn đề khá hạn chế khi thấy các sao lùn loại M cực nhỏ, khối lượng thấp chiếm phần lớn các ngôi sao trong Vũ trụ - chiếm 75% số sao trong Dải Ngân hà. Các sao lùn đỏ cũng có tuổi thọ cực kỳ dài so với các lớp sao khác và có thể tồn tại trong chuỗi chính của chúng tới 10 nghìn tỷ năm. Do đó, một hệ thống động lực có thể sử dụng các hệ thống sao lùn đỏ sẽ được ưu tiên hơn trong khoảng thời gian dài hơn.
Do những cân nhắc này, Lingam và Loeb đã tìm cách xác định phương pháp di chuyển giữa các vì sao sẽ thích hợp hơn (buồm nhẹ hoặc buồm điện tử) liên quan đến các loại sao khác nhau - loại F (màu trắng), loại G (màu vàng), K- sao (cam) và sao loại M. Sau khi tính đến các tính chất bức xạ của từng lớp, chúng đã tính đến khối lượng có khả năng của tàu vũ trụ - dựa trên các thông số được thiết lập bởi Starshot đột phá.
Những gì họ tìm thấy là một tàu vũ trụ kết hợp với một cánh buồm điện đại diện cho một phương tiện đẩy tốt hơn gần với hầu hết các loại sao, và không chỉ cho tàu vũ trụ gram như (đó là những gì được gọi là Starshot). Tuy nhiên, tính toán của Lingam và Loeb, cũng nhận thấy rằng sẽ cần nhiều thời gian hơn để tàu vũ trụ chạy bằng điện có thể đạt được các loại tốc độ khiến việc di chuyển giữa các vì sao trở nên thiết thực.
Thay vào đó, nếu người ta xem xét các cánh buồm phát sáng được cung cấp bởi các mảng laser (chẳng hạn như Đột phá Starshot), thì có thể trực tiếp đạt được tốc độ tương đối (ví dụ: 10% tốc độ ánh sáng) thông qua các cánh buồm nhẹ; ngược lại, những cánh buồm điện chạy bằng sức gió sao đạt được tốc độ chỉ bằng 0,1% tốc độ ánh sáng, Lingam nói.
Trong khi một cánh buồm điện có thể đạt được 0,1 c cuối cùng từ việc liên tục đạt được sự gần gũi với các ngôi sao, họ ước tính rằng điều này sẽ mất 10.000 lần chạm trán trong suốt một triệu năm. Như Lingam đã nói:
Thuyền [E] buồm đại diện cho một phương tiện khả thi để thực hiện du lịch giữa các vì sao. Tuy nhiên, bất kỳ loài công nghệ nào muốn sử dụng phương pháp này sẽ phải tồn tại lâu dài vì toàn bộ quá trình đạt được tốc độ tương đối tính này sẽ cần khoảng 1 triệu năm. Nếu những loài sống lâu như vậy tồn tại, những cánh buồm điện đại diện cho một phương tiện khá thuận tiện và tiết kiệm năng lượng để khám phá Dải Ngân hà trong thời gian dài (hàng triệu năm).
Mặc dù 1 triệu năm chỉ là một cái chớp mắt về mặt vũ trụ, nhưng nó lại cực kỳ dài về tuổi thọ của các nền văn minh - ít nhất là bằng của chúng tôi tiêu chuẩn. Là một loài, loài người đã tồn tại khoảng 200.000 năm và chỉ ghi lại lịch sử của nó trong khoảng 6000. Đến thời điểm đó, chúng ta chỉ là một nền văn minh không gian trong 60 năm qua.
Ergo, một cánh buồm có khả năng tăng tốc bằng laser vẫn là phương tiện thực tế nhất để khám phá các ngoại hành tinh trong cuộc sống của chúng ta. Một hàm ý khác cho nghiên cứu này là làm thế nào nó có thể thông báo cho việc tìm kiếm trí thông minh ngoài hành tinh (SETI). Khi tìm kiếm vũ trụ cho các dấu hiệu của hoạt động công nghệ (còn gọi là kỹ thuật), các nhà khoa học buộc phải tìm kiếm các dấu hiệu mà họ sẽ nhận ra.
Với những lợi ích của một cánh buồm điện, có thể hơn một nền văn minh ngoài trái đất có thể ủng hộ công nghệ này hơn những công nghệ tương tự. Như giáo sư Loeb đã giải thích với Tạp chí Vũ trụ qua email:
Các tính toán của chúng tôi ngụ ý rằng các nền văn minh tiên tiến có khả năng ủng hộ việc sử dụng các cánh buồm điện trên các cánh buồm nhẹ để đẩy dựa trên sản lượng tự nhiên của các ngôi sao dưới dạng gió hoặc bức xạ. Tuy nhiên, nếu một nền văn minh công nghệ mong muốn đạt được tốc độ hoặc phóng ra những hàng hóa lớn mà không thể bị đẩy bởi sức mạnh do ngôi sao chủ của họ tạo ra, thì có khả năng sẽ ủng hộ những cánh buồm nhẹ được đẩy bởi chùm ánh sáng nhân tạo của họ, như một luồng sáng mạnh laser. Tình huống tương tự như sự khác biệt giữa những chiếc thuyền buồm sử dụng gió do mẹ tự nhiên cung cấp, so với những chiếc thuyền lớn hơn hoặc nhanh hơn được đẩy bằng phương tiện nhân tạo như động cơ.
Thật không may, như Loeb đã thêm, các cánh buồm điện không dễ dàng phát hiện ở khoảng cách xa vì chúng được tạo thành từ các lưới dây điện và không phát ra bất kỳ công nghệ rõ ràng nào. Vì vậy, anh ấy kết luận, vì vậy, SET SETI chủ yếu tập trung vào việc tìm kiếm các cánh buồm nhẹ, có thể nhìn thấy do rò rỉ chùm ánh sáng của họ vượt ra ngoài ranh giới của cánh buồm gần vị trí phóng của họ hoặc vì chúng phản chiếu ánh sáng mặt trời khi chúng đi gần Mặt trời, giống như các tiểu hành tinh hoặc sao chổi có kích thước tương tự.
Tuy nhiên, Lingam và Loeb cũng nhấn mạnh rằng cánh buồm điện có thể là một lựa chọn hấp dẫn cho một nền văn minh ngoài hành tinh vì lý do chính xác tương tự. Ngoài việc tiết kiệm năng lượng, các cánh buồm điện không phải chịu sự lan tỏa và do đó có thể đi từ hệ thống sao này sang hệ thống khác mà không bị chú ý. Một giải pháp có thể cho Nghịch lý Fermi? Có lẽ!
Trong mọi trường hợp, nghiên cứu này chỉ ra rằng các kế hoạch hiện tại của chúng tôi để khám phá các hệ thống sao lân cận nên tập trung vào các khái niệm nhấn mạnh tốc độ hơn tuổi thọ. Điều này không có nghĩa là triển khai các cánh buồm điện hoặc từ tính (có thể tiếp tục khám phá Vũ trụ cho các eons) là một ý tưởng tồi nhưng một nhiệm vụ có thể đến trong một hệ sao khác trong cuộc sống của chúng ta có vẻ như là lựa chọn thích hợp hơn bây giờ.
