Vệ tinh Laser Communications Relay Demonstration. Ảnh: NASA

Cơ quan Hàng không và Không gian Mỹ (NASA) vừa khởi động cuộc thử nghiệm dùng laser thay cho sóng vô tuyến, báo hiệu một cuộc cách mạng mới về thông tin liên lạc trong không gian. Dù hiện nay chưa có tiểu hành tinh nào đe dọa đâm vào Trái đất, nhưng số lượng ngày càng đông khiến NASA phải tiến hành thử nghiệm một cuộc tấn công ngăn chặn trước.

Laser và cuộc cách mạng thông tin từ không gian

Việc sử dụng các tia laser vô hình trong không gian nghe giống như phim khoa học viễn tưởng, nhưng đó là sự thật. Vệ tinh Laser Communications Relay Demonstration (Trình diễn phản hồi thông tin laser-LCRD) của NASA sẽ giúp cơ quan này cải thiện mạnh mẽ tốc độ và chất lượng thông tin liên lạc của các phi vụ tương lai trong Hệ mặt trời.

Theo NASA, những tia laser sẽ cho ra video và ảnh không gian độ nét cao chưa từng thấy. Vệ tinh được phóng đi vào ngày 7 Tháng Mười Hai theo giờ miền Đông nước Mỹ từ bệ phóng Cape Canaveral tiểu bang Florida nằm trong Chương trình Thử nghiệm Vệ tinh Không gian 6 của Bộ Quốc phòng Mỹ. Lịch phóng trễ hai ngày để chờ cố định xong một lỗ hổng vừa phát hiện trong hệ thống lưu trữ mặt đất (ground storage system) Rocket-Propellant-1.

Kể từ năm 1958, NASA đã sử dụng sóng vô tuyến để liên lạc với các phi hành gia và các sứ mệnh không gian khác. Trong khi sóng vô tuyến đã được chứng minh qua thời gian, các phi vụ không gian ngày càng phức tạp đòi hỏi thu thập nhiều dữ liệu hơn nên cần một phương tiện thông tin liên lạc mạnh mẽ hơn mới đáp ứng được các yêu cầu mới.

Hãy xem tia laser hồng ngoại như “phiên bản thông tin quang học” của internet tốc độ cao, tốt hơn nhiều so với internet quay số chậm đến khó chịu. Vệ tinh truyền tin bằng laser sẽ gửi dữ liệu đến Trái đất tại ​​một quỹ đạo đồng bộ với vòng quay Trái đất từ độ cao 35,406 km với tốc độ 1.2 gigabit / giây, tức bằng tốc độ tải xong một bộ phim trong vòng chưa đầy một phút.

Tia laser hồng ngoại, không nhìn thấy bằng mắt thường, có bước sóng ngắn hơn sóng vô tuyến, vì vậy chúng có thể truyền nhiều dữ liệu hơn cùng một lúc.

Điều này có nghĩa là tốc độ truyền dữ liệu sẽ nhanh hơn từ 10 đến 100 lần so với sóng vô tuyến. Ví dụ, nếu dùng hệ thống sóng vô tuyến hiện nay sẽ mất chín tuần để gửi về trái đất một bản đồ hoàn chỉnh của sao Hỏa, nhưng dùng tia laser chỉ mất chín ngày!


LCRD truyền tín hiệu xuống hai trạm ở California và Hawaii. Ảnh: Earth.esa.int

Ưu điểm của laser trong truyền nhận tín hiệu Trái đất-Không gian

Vệ tinh LCRD là hệ thống chuyển tiếp laser đầu cuối (end-to-end laser relay system) đầu tiên của NASA được dùng để gửi và nhận dữ liệu từ không gian đến hai trạm quang học mặt đất ở Table Mountain, tiểu bang California và Haleakalā, tiểu bang Hawaii. Trạm trang bị các kính thiên văn để có thể nhận ánh sáng từ các tia laser và chuyển nó thành dữ liệu kỹ thuật số.

Không giống antenna vô tuyến, thiết bị nhận thông tin laser có thể nhỏ hơn 44 lần. Vì vệ tinh vừa gửi vừa nhận dữ liệu, nên nó là một hệ thống hai chiều thực sự. Thiết bị nhận thông tin laser trên mặt đất thường bị gián đoạn vì nhiễu loạn khí quyển, như mây và nhiễu động, khiến chất lượng bị ảnh hưởng nặng nề. Hai điểm trên đáp ứng được hai tiêu chí: Thời tiết ít khi xấu và có độ cao lớn.

Khi vệ tinh LCRD đến quỹ đạo của nó, nhóm phụ trách tại trung tâm hoạt động ở Las Cruces, tiểu bang New Mexico, sẽ kích hoạt LCRD và chuẩn bị cho nó gửi tín hiệu thử nghiệm tới các trạm mặt đất. Dự kiến ​​giai đoạn kiểm tra và thử nghiệm kéo dài hai năm trước khi được sử dụng cho các phi vụ không gian. Khi đó, một thiết bị đầu cuối quang học (optical terminal) sẽ được lắp đặt trên Trạm Không gian Quốc tế (ISS) để gửi dữ liệu từ các thí nghiệm khoa học trên trạm tới vệ tinh rồi chuyển trở lại Trái đất.

LCRD bằng một tấm thảm lớn hoạt động như một vệ tinh phản hồi (relay), nên các phi vụ không gian trong tương lai không cần trang bị antenna ngắm trực tiếp xuống mặt đất. Nhờ vậy, kích thước, trọng lượng và nhu cầu điện liên lạc trên các con tàu vũ trụ tương lai đều được tiết giảm. Có nghĩa là các phi vụ không gian lúc đó sẽ ít tốn kém hơn để phóng và sẽ có thêm chỗ trên con tàu cho các công cụ khoa học.

Mỹ còn có một số dự án nghiên cứu tương tự về thông tin liên lạc bằng laser như Hệ thống liên lạc quang học Orion Artemis II (Orion Artemis II Optical Communications System) với mục tiêu tạo ra những video độ nét cực cao truyền tải giữa NASA và các phi hành gia Artemis trên đường đến Mặt trăng; và vệ tinh Psyche sẽ được phóng vào năm 2022 đến một tiểu hành tinh kim loại cách Trái đất 241 triệu km vào năm 2026 để tiến hành cuộc thử nghiệm laser “Deep Space Optical Communication” (Truyền thông Quang học Không gian Sâu) và gửi dữ liệu về Trái đất.

Double Asteroid Redirection Test. Ảnh DART

Cuộc tấn công tiểu hành tinh đầu tiên của NASA

Trong khi đó, NASA cũng vừa phóng thành công một con tàu không gian mà đích đến của nó là đâm thẳng vào một tiểu hành tinh gần Trái đất vào Tháng Chín, 2022 để thay đổi đường đi của nó. Sứ mệnh có tên Double Asteroid Redirection Test (DART-Thử nghiệm chuyển hướng tiểu hành tinh kép) dùng tên lửa SpaceX Falcon 9 tại Căn cứ của Lực lượng Không gian Vandenberg ở tiểu bang California.

Tên lửa đã trở về và hạ cánh thẳng đứng xuống chiếc phà ngoài khơi sau khi phóng. Mục tiêu của sứ mệnh là Dimorphos, một mặt trăng nhỏ đường kính 160 mét quay quanh Didymos (“song sinh” trong tiếng Hy Lạp), một tiểu hành tinh gần Trái đất đường kính 0.8 km.

Đây sẽ là cuộc trình diễn bảo vệ trái đất đầu tiên của chương trình hợp tác giữa Văn phòng Điều phối Phòng thủ Hành tinh NASA (NASA Planetary Defense Coordination Office) và Phòng thí nghiệm Vật lý Ứng dụng của Đại học Johns Hopkins. Được xem “Gần Trái đất” (NEO) là các tiểu hành tinh và sao chổi có quỹ đạo nằm trong phạm vi 30 triệu dặm (48 triệu km) so với Trái đất.

Phát hiện sớm mối đe dọa từ các vật thể có khả năng gây hại nghiêm trọng cho loài người là trọng tâm chính của NASA và các tổ chức không gian khác trên thế giới. Didymos được phát hiện cách đây hai thập niên. Kleomenis Tsiganis, nhà khoa học hành tinh tại Đại học Aristotle ở Thessaloniki và là thành viên của nhóm DART tin rằng đây là thời điểm hoàn hảo để tiến hành sứ mệnh, khi Didymos và Dimorphos sẽ ở tương đối gần Trái đất, cách 11 triệu km vào Tháng Chín, 2022. “Tàu vũ trụ tăng tốc với tốc độ khoảng 24,140 km/giờ, nhắm thắng Dimorphos” –bà Nancy Chabot làm việc tại Phòng thí nghiệm Vật lý Ứng dụng Johns Hopkins ở Laurel, tiểu bang Maryland nói.

Camera DRACO (viết tắt của Didymos Reconnaissance & Asteroid Camera for OpNav) gắn trên con tàu và nhu liệu điều hướng tự động sẽ giúp phát hiện đối tượng và phát lệnh tấn công. Cú va chạm sẽ được ghi lại bằng ảnh và video sau đó ba phút bởi camera LICIACube (Light Italian Cubesat) lớn cỡ chiếc cặp do Cơ quan Vũ trụ Ý cung cấp và sẽ được truyền trực tiếp trở lại Trái đất.

“Các nhà thiên văn sẽ so sánh các quan sát từ kính thiên văn trên Trái đất trước và sau tác động của DART để xác định quỹ đạo Dimorphos đã thay đổi như thế nào và cho chúng ta biết cách tiểu hành tinh phản ứng rao sao khi bị đâm vào” – Tom Statler, nhà khoa học DART nhận xét.

Vài năm sau vụ va chạm, sứ mệnh Hera của Cơ quan Vũ trụ châu Âu sẽ có cuộc điều tra tiếp theo về Didymos và Dimorphos trong một chương trình hợp tác quốc tế gọi là Asteroid Impact & Deflection Assessment (AIDA- Đánh giá Độ lệch & Tác động Tiểu hành tinh).

“Mặt trăng” Dimorphos được chọn cho sứ mệnh này vì kích thước của nó tương đương với các tiểu hành tinh có thể gây mối hoạ cho Trái đất. “Con tàu tấn công nhỏ hơn Dimorphos khoảng 100 lần, vì vậy nó sẽ không bị xoá sổ mà chỉ chệch hướng và quay nhanh hơn.

Sự thay đổi có thể được quan sát và đo lường từ các kính thiên văn trên mặt đất. Dimorphos quay quanh Didymos trong 11 giờ 55 phút sẽ quay nhanh hơn trên 73 giây sau cú va chạm- Andy Cheng, trưởng nhóm kiểm tra DART tại Phòng thí nghiệm Vật lý Ứng dụng Johns Hopkins nói”.

SGN