CHLB ĐỨC – Trong dự án Halloa của liên minh châu Âu (EU), các nhà nghiên cứu tại trung tâm Laser Hannover e. V. (LZH – Laser zentrum Hannover e. V.) phát triển một hệ thống laser mạnh mẽ để phục vụ việc giám sát khí nhà kính từ ngoài không gian. Mục tiêu của dự án là cung cấp các dữ liệu chính xác nhằm hiểu rõ hơn về khí hậu, đồng thời tăng cường sự độc lập về công nghệ của châu Âu.
Cùng năm đối tác từ hai quốc gia thuộc châu Âu, các nhà khoa học tại trung tâm LZH đang phát triển một hệ thống laser hoạt động dựa trên vệ tinh. Các hệ thống được gọi là LiDAR (light detection and ranging, tạm dịch là ‘phát hiện và định tầm bằng ánh sáng), sử dụng các xung laser để đo khoảng cách và vận tốc, đồng thời có khả năng đo lường nồng độ của các khí vết (trace gases) và hạt khí dung (aerosols) (*) trong không khí. (*) Trace gases: là các loại khí chiếm tỉ lệ cực thấp trong khí quyển (thường dưới 1%), nhưng lại có tác động lớn đến môi trường và khí hậu. Ví dụ điển hình là CO2 (carbon dioxide), CH4 (methane), hay O3 (ozone). – Aerosols: là các hạt rắn hoặc lỏng siêu nhỏ lơ lửng trong không khí như bụi mịn, khói, tro núi lửa hoặc các giọt nước biển li ti.
Trong tương lai, hệ thống laser này sẽ được sử dụng để giám sát các loại khí nhà kính như carbon dioxide từ không gian. Những dữ liệu về nồng độ và sự phân bố này sẽ giúp hiểu rõ hơn về tình trạng biến đổi khí hậu do con người gây ra, từ đó theo dõi tác động của các biện pháp ứng phó khả thi.
Hệ thống laser LiDAR sẵn sàng cho không gian Hệ thống laser mới này được xây dựng dựa trên cấu trúc kết hợp (hybrid architecture). Nó kết hợp ưu điểm của các hệ thống sợi quang, vốn có đặc tính nhỏ gọn, linh hoạt và ít cần bảo trì, với các thiết kế chùm tia tự do (free-beam) (1), những thiết kế có tiềm năng lớn trong việc mở rộng hiệu suất. Để đạt được mục tiêu này, các đối tác đang phối hợp sử dụng cả bộ khuếch đại sợi quang và bộ khuếch đại trạng thái rắn (solid-state amplifiers) (2). Giải pháp kết hợp này có độ phức tạp thấp hơn so với các hệ thống truyền thống, từ đó sẽ đẩy nhanh quá trình phát triển hệ thống LiDAR phục vụ các nhiệm vụ ngoài không gian. (1) Free-beam: chỉ trạng thái ánh sáng laser được truyền dẫn trực tiếp qua không gian mở (không khí hoặc chân không) mà không cần một vật dẫn bao bọc bên ngoài. (2) Solid-state amplifier: là thiết bị sử dụng các vật liệu vật lý ở dạng rắn (như tinh thể, gốm hoặc vật liệu bán dẫn) làm môi trường để tăng cường năng lượng cho tín hiệu. Khi tia laser đi qua khối vật liệu này, nó sẽ kích thích các nguyên tử bên trong giải phóng thêm năng lượng dưới dạng ánh sáng. Kết quả là tia laser đầu ra có cường độ mạnh hơn gấp nhiều lần so với đầu vào.
Tính độc lập của châu Âu trong lĩnh vực không gian Trong dự án LiDAR, các đối tác đang cải tiến thiết kế của bộ khuếch đại sợi quang thulium dạng xung cho dải hồng ngoại gần ở bước sóng 2,05 micromét. Mục tiêu là xây dựng một nguyên mẫu bộ khuếch đại sợi quang đạt mức độ sẵn sàng về công nghệ (TRL – technology readiness level) (*) cấp 6, hoàn toàn sử dụng các linh kiện của châu Âu. Để tối ưu hóa toàn bộ hệ thống laser cho điều kiện hoạt động trong không gian, trước tiên các đối tác sẽ phác thảo phương án triển khai nhiệm vụ không gian trong tương lai. (*) Technology readiness level: là một hệ thống thang đo được sử dụng để đánh giá sự hoàn thiện của một công nghệ cụ thể trong suốt quá trình nghiên cứu, phát triển và triển khai.
Dựa trên cơ sở đó, các đối tác sẽ phát triển các yêu cầu cho hệ thống LiDAR liên quan, thiết kế quang cơ (optomechanical) (*) của hệ thống laser, cũng như các đi-ốt laser hiệu suất cao được tinh chỉnh đặc biệt để vận hành bộ khuếch đại sợi quang (phát xạ ở bước sóng 790 nanomét). Tất cả các yếu tố này sẽ được kết hợp trong một bộ khuếch đại sợi quang bền bỉ, được chế tạo từ linh kiện của châu Âu, và cuối cùng sẽ được tích hợp vào một hệ thống laser hybrid hoàn chỉnh. (*) Optomechanical: là sự kết hợp giữa quang học (thấu kính, gương, lăng kính) và cơ khí (khung, giá đỡ).
Trung tâm LZH thực hiện các thử nghiệm về khả năng thích nghi trong không gian Các nhà khoa học tại trung tâm LZH chịu trách nhiệm kiểm tra khả năng thích nghi với môi trường không gian trong dự án này. Họ sẽ tiến hành thử nghiệm các thành phần riêng lẻ và bộ khuếch đại sợi quang đã phát triển thông qua các bài kiểm tra về độ rung lắc, va chạm, thay đổi nhiệt độ và bức xạ. Mục tiêu là đưa bộ khuếch đại sợi quang từ mức độ sẵn sàng công nghệ (TRL) cấp 4 lên cấp 6 trong ba năm.
Về dự án Halloa Dưới sự dẫn dắt của văn phòng nghiên cứu hàng không vũ trụ quốc gia Pháp (ONERA – Office national d’études et de recherches aérospatiales), sáu viện nghiên cứu và doanh nghiệp từ ba quốc gia châu Âu đang hợp tác trong dự án Halloa (Hybrid amplifier laser for Lidar operations): Laboratoire de Métérorologie Dynamique, LZH, Keopsys Industries, Lumibird Photonics Italia Srl và Erdyn Consultants SAS. Dự án này được tài trợ bởi chương trình nghiên cứu và đổi mới Horizon Europe (European Union’s Horizon Europe research) của liên minh châu Âu.
Để xem các tin bài khác về “Hệ thống laser”, hãy nhấn vào đây.
Nguồn: Hannover Messe
