Vệ tinh siêu nhỏ chạy bằng... nước trên Sao Hỏa

Microsatellite và nanosatellite là những vệ tinh có chi phí thấp và kích thước nhỏ hơn rất nhiều so với những vệ tinh thông thường, loại vệ tinh này đang ngày càng trở nên phổ biến.

Hàng ngàn vệ tinh đã được chế tạo và đưa vào sử dụng để thực hiện các nhiệm vụ khác nhau, từ chụp ảnh có độ phân giải cao, cung cấp internet, theo dõi Trái Đất để ứng phó thiên tai phục vụ mục đích môi trường hay là quân sự.

Để đạt được mục tiêu, CubeSat yêu cầu những đối tác của mình chế tạo những trang thiết bị có kích thước nhỏ để tương thích với kích cỡ của vệ tinh. Cùng với các đối tác khác, vệ tinh được tạo ra sẽ được dùng trong các lĩnh vực khoa học, hàng không không gian, thương mại và quân sự.

CubeSat là những vệ tinh rất nhỏ khi so sánh với các vệ tinh thông thường, nhưng vẫn đảm bảo hoàn thành được mọi nhiệm vụ từ khoa học, thương mai cho đến quân sự. Ảnh: CubeSat.

Tuy vậy, thế hệ vệ tinh CubeSat mới gây ấn tượng hơn cả với thiết kế dùng nước để làm nhiên liệu cho động cơ hoạt động của mình. Alina Alexeenko, giáo sư tại Đại học Hàng không và Thăm dò không gian Purdue cho biết: “Chúng tôi mở ra cơ hội cho những sứ mệnh mới, bay đến những nơi xa xôi mà khó có thể đến được nếu bị cản trở về kinh tế.”

“Nước được cho là có khá nhiều trên vệ tinh Phobos của Sao Hỏa, khiến nó trở thành một trạm cấp nhiên liệu khổng lồ trong không gian nếu các vệ tinh sử dụng nước làm nhiên liệu cho động cơ. Nước cũng là nhiên liệu rất sạch, làm giảm nguy cơ nhiễm bẩn và bụi bặm cho các thiết bị trong quá trình bơm tiếp nhiên liệu,” bà cho biết thêm.

Hệ thống mới của CubeSat, được gọi là Chuỗi hệ thống bơm cơ điện tử mỏng và bay hơi (Film-Evaporation MEMS Tunable Array, hay FEMTA), sử dụng các đoạn mạch rất nhỏ để trích xuất các chất vi lượng trong nước. Các mạch dẫn có đường kính chỉ 10 micromet, nên sẽ không cho chất lỏng bị chảy ra dù là hoạt động trong môi trường không gian không trọng lực.

Khi thiết bị làm nóng ở đầu mạch được kích hoạt, nước sẽ bốc hơi và hơi nước sẽ tạo ra lực đẩy. Bằng cách này, các mạnh dẫn trở thành van bật tắt bằng cách kích hoạt thiết bị làm nóng. Công nghệ này tương tự như trong máy in phun, sử dụng thiết bị làm nóng để phun mực in.

Thiết bị này là một phần trong bài nghiên cứu của các sinh viên đại học về đề tài thiết kế động cơ phản lực. CubeSats là một khối nhỏ, độ dài mỗi chiều chỉ 10 cm, khối lượng vào khoảng 2,8 kg, có trang bị cảm biến để đo lường quán tính và giám sát hoạt động của chính mình.

Trong thử nghiệm thực tế, hệ thống FEMTA đã được nạp khoảng một muỗng café lỏng để trích xuất chất vi lượng, nó được tiến hành thử nghiệm một cách thành công trong môi trường chân không. Động cơ khiến vệ tinh tự quay bằng những đợt phun hơi nước.

Sinh viên cao học Katherine Fowee cùng tiến sĩ, nhà nghiên cứu Anthony Cofer từ Đại học Purdue đang làm việc trên một hệ thống cơ điện tử rất nhỏ cho động cơ của các vệ tinh CubeSat siêu nhỏ. Ảnh: Erin Easterling/Đại học Purdue.

Những vệ tinh thông thường có kích thước bằng một chiếc xe bus, cân nặng có thể lên đến hàng tấn, cũng như chi phí chế tạo phải tính bằng trăm triệu dollar. Các vệ tinh thông thường đòi hỏi các thiết bị điện tử chuyên dụng để đảm bảo hoạt động được trong môi trường khắc nghiệt của không gian.

Trong khi đó, CubeSat được thiết kế nhỏ gọn và chi phí thấp, có thể sử dụng một lần và tránh được những hậu quả xấu sau khi vệ tinh hết thời hạn sử dụng, như việc các vệ tinh bị mất kiểm soát, rời khỏi quỹ đạo và rơi trở ngược lại vào Trái Đất.

Tuy vậy, CubeSat vẫn cần được cải tiến để đảm bảo hệ thống vi mô hoạt động một cách chính xác và trạm mặt đất có thể kiểm soát được hoạt động của nó. “Dù có những cải tiến đáng kể trong việc thu nhỏ trang thiết bị, nhưng qua đó cần phải đồng bộ giữa việc thu nhỏ khối lượng và giữ vững hiệu suất,” bà Alina Alexeenko cho biết.

FEMTA là một hệ thống cơ điện tử nhỏ, có các thành phần cấu tạo ở cấp micro (một phần triệu mét). Lực đẩy được tạo ra có thể lên tới 230 micronewton trên mỗi watt cho xung lực kéo dài 80 giây.

“Đây là một lực rất nhỏ, nhưng vẫn đảm bảo được năng suất. Vệ tinh quay 180 độ trong vòng chưa đến một phút và cần ít hơn một phần tư watt, cho thấy công nghệ FEMTA là một phương pháp hữu hiệu để hỗ trợ cho vệ tinh CubeSat,” Alexeenko cho biết thêm.

Một vệ tinh hoàn chỉnh sẽ cần 12 động cơ FEMTA gắn trên ba trục chính để có thể quay được vệ tinh một cách liên tục. Ngoài ra, cảm biến đo quán tính có thể xử lý 10 loại phép đo khác nhau cần thiết cho việc tự điều khiển và giám sát chính vệ tinh.

Quang Niên (Science Alert)