Đại học West Virginia đang nghiên cứu việc sử dụng tia laser không gian được hỗ trợ bởi trí tuệ nhân tạo để chuyển hướng các mảnh vụn không gian nhằm giảm nguy cơ va chạm. Được hỗ trợ bởi NASA, chương trình này nhằm mục đích xử lý các mảnh vỡ ở mọi kích cỡ và hiện đang xác nhận các thuật toán và mô hình của nó.

Quỹ đạo thấp của Trái đất đang chứa đầy rác gây ra mối đe dọa cho tài sản không gian. Nghiên cứu mới của Đại học West Virginia khám phá liệu tia laser trên không gian có thể loại bỏ các hạt nhỏ hoặc mảnh vụn lớn khỏi quỹ đạo nơi chúng có thể va chạm với các vật thể như vệ tinh hoặc trạm vũ trụ hay không. Nhà cung cấp hình ảnh: Đại học Tây Virginia Minh họa/Savanna Leech

Nếu nghiên cứu thành công, một mạng lưới laser không gian phối hợp có thể chuyển hướng các mảnh vỡ rải rác trên quỹ đạo Trái đất và gây ra mối đe dọa cho tàu vũ trụ và vệ tinh khỏi quỹ đạo va chạm tiềm tàng.

Hang Woon Lee, giám đốc Phòng thí nghiệm nghiên cứu vận hành hệ thống vũ trụ tại Đại học Tây Virginia, cho biết một lượng lớn mảnh vụn nhân tạo đang tích tụ trên khắp trái đất, bao gồm cả các vệ tinh không còn tồn tại. Càng có nhiều mảnh vụn trên quỹ đạo thì nguy cơ một số mảnh vụn sẽ va chạm với các tài sản không gian có người lái và không người lái càng cao. Ông cho biết ông tin rằng cách tốt nhất để ngăn chặn những vụ va chạm này là lắp đặt nhiều dãy tia laser trên các bệ không gian. Những tia laser được hỗ trợ bởi trí tuệ nhân tạo này có thể cơ động cùng nhau để phản ứng nhanh chóng với các mảnh vỡ ở mọi kích thước.

HangWoonLee, Trợ lý Giáo sư Kỹ thuật Cơ khí và Hàng không Vũ trụ, Trường Cao đẳng Kỹ thuật và Tài nguyên Khoáng sản Benjamin M. Statler, Đại học West Virginia; Giám đốc Phòng thí nghiệm Nghiên cứu Hoạt động Hệ thống Không gian, Đại học Tây Virginia. Nguồn hình ảnh: Đại học West Virginia Ảnh

Những tiến bộ nghiên cứu và hỗ trợ của NASA

Lee, trợ lý giáo sư tại Khoa Cơ khí và Kỹ thuật Hàng không Vũ trụ tại Trường Cao đẳng Kỹ thuật và Tài nguyên Khoáng sản Benjamin M. Statler, đã nhận được giải thưởng Sớm 2023 danh giá của NASA Giải thưởng Khoa Hướng nghiệp cho nghiên cứu có khả năng mang tính đột phá. NASA đang tài trợ cho nghiên cứu loại bỏ mảnh vỡ phản ứng nhanh của Lee với số tiền 200.000 USD mỗi năm trong tối đa ba năm.

Công việc này hiện đang ở giai đoạn đầu và nhóm nghiên cứu đang xác thực xem thuật toán mà họ đề xuất phát triển để chạy hệ thống laser có phải là giải pháp hiệu quả và tiết kiệm chi phí hay không. Li cho biết: “Mục tiêu tầm xa của chúng tôi là có ‘nhiều tia laser trên không gian tích cực thực hiện các thao tác trên quỹ đạo và hợp tác xử lý các mảnh vụn trên quỹ đạo’, điều này sẽ giúp tránh va chạm kịp thời với các tài sản không gian có giá trị cao”. "Mục tiêu hiện tại là phát triển một mạng laser dựa trên không gian có thể cấu hình lại và một bộ thuật toán. Những thuật toán này sẽ là công nghệ hỗ trợ để biến một mạng như vậy thành hiện thực và tối đa hóa lợi ích của nó."

TAGPH 71Thử thách các mảnh vụn không gian ngày càng gia tăng

Nếu một vật thể tự nhiên (chẳng hạn như một thiên thạch vi mô) va vào một vật thể nhân tạo (chẳng hạn như phần còn lại của một phương tiện phóng), các mảnh vụn sinh ra có thể lan truyền nhanh chóng và thậm chí các mảnh nhỏ như một hạt sơn cũng có thể có lực đâm thủng mặt bên của vệ tinh quan sát hoặc liên lạc hoặc Trạm vũ trụ quốc tế. Điều này đã trở thành một vấn đề cấp bách vì không gian ngày càng trở nên lộn xộn. Đặc biệt, quỹ đạo thấp của Trái đất đã thu hút các hệ thống viễn thông thương mại như Starlink của SpaceX, sử dụng vệ tinh để cung cấp internet băng thông rộng cho người dùng. Quỹ đạo thấp cũng là nơi đặt các vệ tinh dùng để dự báo thời tiết và phân tích lớp phủ mặt đất, đồng thời là nơi tổ chức các hoạt động thám hiểm không gian sâu.

Lee cho biết: “Số lượng vật thể tăng lên làm tăng nguy cơ va chạm, gây nguy hiểm cho các sứ mệnh có người lái và gây nguy hiểm cho các sứ mệnh khoa học và công nghiệp có giá trị cao”. Ông nói thêm rằng các vụ va chạm trong không gian có thể gây ra hiệu ứng domino, được gọi là "hội chứng Kessler", gây ra phản ứng dây chuyền làm tăng nguy cơ xảy ra các vụ va chạm tiếp theo và khiến không gian trở nên không bền vững và trở nên thù địch.

Ưu điểm của Laser so với các công nghệ khác

Các nhà nghiên cứu khác đang phát triển các công nghệ loại bỏ mảnh vụn như móc, lao, lưới và máy quét, nhưng những công nghệ này chỉ phù hợp với các mảnh vụn lớn. Phương pháp của Lee có thể xử lý các mảnh vụn ở hầu hết mọi kích cỡ.

Bộ thuật toán mà nhóm Li sẽ phát triển có khả năng thích ứng với tia laser được lắp đặt trên các vệ tinh lớn hoặc có thể cung cấp năng lượng cho các tia laser được lắp đặt trên nền tảng chuyên dụng của riêng họ. Là một phần trong nghiên cứu của mình, anh ấy sẽ đánh giá các dạng khác nhau mà mạng laser có thể thực hiện. Ở cả hai dạng, công nghệ sẽ có thể tự đưa ra nhiều quyết định, thực hiện các hành động một cách độc lập và đặt ra các ưu tiên.

Hệ thống sẽ quyết định tổ hợp tia laser nào để nhắm vào mảnh vỡ nào, đồng thời đảm bảo rằng quỹ đạo thu được không có va chạm.

Khi tia laser chạm vào một mảnh vụn, nó sẽ không phá hủy mảnh vụn đó. Thay vào đó, các mảnh vụn được đẩy sang quỹ đạo mới, thường là bằng phương pháp cắt bỏ bằng laser. Điều này có nghĩa là chùm tia laser làm bay hơi một phần nhỏ mảnh vụn, tạo ra một chùm plasma tốc độ cao đẩy mảnh vụn ra khỏi quỹ đạo.

Quá trình cắt bỏ bằng laser và áp suất photon làm cho vận tốc của mảnh mục tiêu thay đổi, cuối cùng thay đổi kích thước và hình dạng quỹ đạo của nó. Đó chính là động lực để sử dụng tia laser. Li giải thích: "Khả năng thay đổi quỹ đạo của các mảnh vỡ có thể được kiểm soát một cách hiệu quả thông qua mạng lưới tia laser, cho phép các mảnh vỡ không gian di chuyển hoặc quay vòng, tránh các sự kiện thảm khốc tiềm ẩn như va chạm". Nhiều tia laser có thể hoạt động đồng thời trên một mục tiêu trong phạm vi cường độ rộng hơn, thay đổi quỹ đạo của nó theo những cách mà một tia laser đơn lẻ không thể làm được. "

Li sẽ làm việc với Scott Zemerick, kỹ sư hệ thống chính tại TMC Technologies có trụ sở tại Fairmont, để xác thực tất cả các mô hình và thuật toán được phát triển trong suốt dự án trong "môi trường song sinh kỹ thuật số". Điều này sẽ đảm bảo các sản phẩm có thể được sử dụng trong phần mềm máy bay, Li nói.