Vật liệu thông minh thay đổi cuộc đua vũ trụ

Đây cũng là bước ngoặt đánh dấu sự thay đổi của cuộc chạy đua ngoài không gian.

Buông cờ trên Hành tinh Đỏ

50 năm trước, Mỹ đã đặt lá cờ của mình trên Mặt trăng và dự định làm điều này một lần nữa trên Hành tinh Đỏ. Tuy nhiên, vào ngày 15/5/2021, sau hành trình khoảng 500 triệu km kéo dài hơn 300 ngày, trạm đổ bộ Thiên Vấn 1 của Trung Quốc đã đáp xuống sao Hỏa và buông quốc kỳ của nước này.

Điều này đưa Trung Quốc trở thành nước đầu tiên cắm cờ trên Hành tinh Đỏ. Lá cờ màu đỏ với những ngôi sao vàng năm cánh được làm bằng vải thông minh nhẹ nhàng lay động trong gió sao Hỏa.

Trước đó, phi thuyền này rời quỹ đạo sao Hỏa vào 1 giờ ngày 15/5 (giờ Bắc Kinh). Khoảng 3 giờ sau đó, bộ phận hạ cánh tách rời ra và đi vào bầu khí quyển hành tinh này.

Trong nghiên cứu đăng trên tạp chí khoa học Advances in Mechanics, các nhà khoa học Trung Quốc đã hé lộ chi tiết về vật liệu làm cờ, dự kiến sẽ được sử dụng trong việc du hành liên hành tinh, khám phá tiểu hành tinh và các dự án trong không gian khác.

Thông thường, thiết bị robot mang cờ thường được thiết kế với nhiều thành phần cơ học. Các bộ phận của thiết bị này rất nặng và có thể làm tăng đáng kể chi phí lẫn rủi ro của một nhiệm vụ ngoài không gian. Tuy nhiên, các nhà nghiên cứu Trung Quốc cho biết, thiết bị của họ có chi phí thấp, trọng lượng nhẹ và công nghệ mới đáng tin cậy.

Thiết bị này rất nhẹ, chưa đến 200 gram, và không có động cơ hay bánh răng nào tham gia vào quá trình bung cờ. Các bộ phận chuyển động quan trọng được chế tạo từ một loại polymer thông minh có thể thay đổi hình dạng khi được làm nóng.

Thiết bị giữ lá cờ cuộn lại với một cặp móc cài được làm từ vật liệu giống dây cao su. Khi được làm nóng, "ngón tay" của móc cài duỗi ra và bung cờ, giúp lá cờ buông xuống và trải ra một cách tự nhiên nhờ trọng lực.

Theo Cơ quan Hàng không và Vũ trụ Hoa Kỳ (NASA), việc Mỹ cắm cờ lên một hành tinh ngoài Trái đất là "biểu tượng của niềm tự hào quốc gia trước thành tích đạt được". Hình ảnh lá cờ Mỹ được in trên boong tàu lượn Hayabusa của Nhật Bản lần đầu tiên xuất hiện trên bề mặt sao Hỏa vào năm 2008.

Họa tiết các ngôi sao và sọc xuất hiện lại trong nhiệm vụ của robot Curisority năm 2012. Đến năm 2020, cờ Mỹ được in trên robot Perseverance hạ cánh xuống sao Hỏa. Tuy nhiên, những hình ảnh in như vậy không đáp ứng chính xác định nghĩa của một lá cờ, thường làm từ vải hoặc vật liệu tương tự.

Nhà khoa học Leng Jinsong, Trưởng dự án, làm việc tại Viện Công nghệ Cáp Nhĩ Tân, cho biết: "Việc buông cờ trên trạm đổ bộ đã đưa Trung Quốc trở thành quốc gia đầu tiên trên thế giới ứng dụng cấu trúc thông minh dựa trên vật liệu polymer composite ghi nhớ hình dạng vào nhiệm vụ khám phá không gian sâu. Trung Quốc đang dẫn đầu trong việc ứng dụng các vật liệu thông minh trong không gian".

Cải thiện hiệu suất của vật liệu thông minh

Polymer có thể thay đổi hình dạng tự do nhưng sẽ trở về "hình dạng ghi nhớ" dưới tác động của nhiệt, điện tích, lực từ hoặc dung dịch hóa học. Nhờ sự tài trợ liên tục từ chính phủ trung ương, nhóm của Leng đã dành hơn hai thập kỷ để cải thiện hiệu suất của polymer thông minh. Họ đã thêm sợi carbon vào vật liệu để tăng cường sức mạnh của nó.

Các nhà khoa học cũng đưa ra một lý thuyết mới để dự đoán hành vi của vật liệu, thử nghiệm các vật liệu tiềm năng trong một số môi trường khắc nghiệt và làm việc với các nhà máy để giảm chi phí sản xuất hàng loạt.

Trước đó, năm 2016, Trung Quốc đã tiến hành một thí nghiệm chưa từng có trong không gian, trong đó từ polymer thông minh, họ tạo ra một cấu trúc giống như mỳ Ý có thể biến thành một tấm ván.

Tương tự năm 2020, Trung Quốc đã phóng một vệ tinh vào quỹ đạo địa tĩnh. Vệ tinh này mang theo tấm pin Mặt trời đầu tiên trên thế giới được chế tạo mà không có bất kỳ khớp nối vật lý nào. Màng mềm với khung đỡ được làm hoàn toàn bằng vật liệu thông minh. Khác với các tấm pin mặt trời truyền thống, quá trình triển khai không gây ra bất kỳ chấn động nào.

Nhóm nghiên cứu của Leng nhận định, các vật liệu thông minh như polymer thông minh, đã được cấp bằng sáng chế, có thể thay đổi tiến trình của cuộc đua không gian và đưa Trung Quốc lên vị trí dẫn đầu.

"Công nghệ này dự kiến được sử dụng trong trạm vũ trụ Trung Quốc, dự án thám hiểm trên Mặt trăng, chuyến du hành vũ trụ có phi hành đoàn, khám phá sao Hỏa, sao Mộc, tiểu hành tinh, hành tinh băng khổng lồ và các dự án kỹ thuật hàng không vũ trụ lớn khác", nhóm nghiên cứu cho biết.

Trung Quốc dự định thực hiện một số dự án cơ sở hạ tầng không gian lớn, bao gồm trạm năng lượng Mặt trời có thể truyền năng lượng cao về Trái đất. Những dự án này trước đây từng bị coi là quá lớn, tốn kém và phức tạp nhưng vật liệu thông minh có thể sẽ giúp giảm đáng kể chi phí và rủi ro cho chúng.

Theo các nghiên cứu gần đây, những vật liệu tương tự cũng được sử dụng trong việc phát triển động cơ tên lửa nhiên liệu rắn mới để tăng tầm bắn của tên lửa siêu thanh. Các nhà khoa học Trung Quốc đang sử dụng vật liệu này để phát triển máy bay có thể thay đổi hình dạng nhằm đạt hiệu quả cao hơn trong các giai đoạn bay khác nhau.