Ý nghĩa vật lý của hiện tượng tàng hình
tải về 231.63 Kb.
|
Ý nghĩa vật lý của hiện tượng tàng hình(hay là "Chế ngự những đường đi của sóng điện từ")Trương Văn TânViệc binh là việc giả dối. Tôn Tử Tóm tắt
1. Tàng hình: một khái niệm nhiều thú vị "Tàng hình" là một yếu tố không thể thiếu trong những truyện thần thoại hay tiểu thuyết viễn tưởng từ cổ chí kim, từ Đông sang Tây. Nó được xem như một phép thần thông khơi dậy sự tưởng tượng cuả độc giả và đưa người đọc không phân biệt trẻ già vào một thế giới huyền hoặc, không tưởng đầy thú vị. Từ những nàng kiều nữ hồ ly của "Liêu trai chí dị" hiện về sống bên người tình thư sinh trong đêm khuya rồi biến đi lúc hừng sáng để lại chàng học trò thương nhớ cuồng si, đến cái nón của Perseus và chiếc nhẫn của Gyge trong thần thoại Hy Lạp mà ai mang vào thì sẽ có phép màu "hô biến", hay chiếc áo choàng "tàng hình" của Harry Potter được làm từ những vật liệu thần bí tìm thấy ở tận miền cực Đông thế giới, tàng hình tiếp tục mê hoặc con người qua nhiều thế hệ. Quyển tiểu thuyết khoa học viễn tưởng "Invisible Man" (Người vô hình) của H. G. Wells xuất bản vào cuối thế kỷ 19 được tác giả thêm vào một chút "hương vị" khoa học, kể một câu chuyện về một nhà khoa học đã làm một loạt phản ứng sinh hóa học biến những phân tử của tế bào và cơ thể của ông ta trở nên trong suốt như không khí. Những sự kiện trong khoa học viễn tưởng thường dựa trên những nguyên lý khoa học đã biết, nhưng khi gặp phải một tình huống mà khoa học chưa có câu trả lời thì tác giả sẽ thả hồn vào sự tưởng tượng riêng của mình và tùy tiện định đoạt hướng đi tương lai của khoa học cốt sao cho thích hợp với sự diễn biến câu chuyện của quyển tiểu thuyết. Lối suy diễn này ít nhiều có những gắn bó với các tri thức khoa học và đã thoát ra khỏi cái khung thô thiển trong các câu chuyện thần thoại. Sự liên hệ giữa viễn tưởng và khoa học vì vậy trong một chừng mực nhất định là một trao đổi hai chiều. Các nhà khoa học cũng rất hào hứng trước các sự kiện viễn tưởng, nhưng định luật khoa học là vành đay bó buộc tư duy của họ phải đi vào khuôn phép. Có nhiều phát minh của nhân loại một cách vô tình hay cố ý đã hiện hữu trong tiểu thuyết viễn tưởng trước khi chúng là hiện thực. Jules Verne đã viết về máy in fax, tàu ngầm, tàu vũ trụ, thám hiểm cung trăng có hơn một trăm năm trước khi những sự kiện này thực sự hiện hữu hay được phát minh. Cái thang trời leo lên tận mây xanh hay việc thuộc địa hóa các hành tinh đã là những chất liệu viễn tưởng nhưng đang được con người thực hiện. Tàng hình trong ảo thuật là một phạm trù "bí mật" chỉ có những người hành nghề trong cuộc cùng giao ước với nhau để bảo mật các quy luật hay kỹ xảo nghề nghiệp. Không ít những ảo thuật gia đã làm khán giả thán phục và sửng sốt khi họ có thể biến mất rồi xuất hiện một nơi khác hay làm "tàng hình" nguyên một toa xe lửa. Có thể họ vận dụng quy luật khoa học đơn giản có liên quan đến ánh sáng hay màu sắc đánh lừa con mắt khán giả. "Tàng hình" trong quân sự cũng là một phạm trù bí mật nếu không muốn nói là cực mật của nền an ninh quốc gia. Nhưng hiện tượng tàng hình được áp dụng trong quân sự không vượt ra ngoài các quy luật vật lý liên quan đến sự tương tác giữa ánh sáng hay nói rộng hơn sóng điện từ với vật chất. Những quy luật vật lý là tài sản chung của loài người không thuộc về ai, hiển nhiên và rõ ràng. Tuy nhiên, cũng như kỹ xảo nghề nghiệp của ảo thuật gia, trong tàng hình quân sự các "kỹ xảo" làm nên vật liệu tàng hình và hiệu năng của chúng là những cơ mật quốc gia. "Tàng hình" thường được hiểu là "biến mất" theo quan điểm thông thường. Nhưng trong khoa học, khi ta "tàng hình" không có nghĩa là ta "tan biến" vào một cõi mơ hồ... Ta vẫn lừng lững đứng đó nhưng người không thấy ta! Ngụy trang bằng sự hòa hợp màu sắc với môi trường xung quanh cũng có thể xem là một cách tàng hình dù là thô sơ. Thí dụ như việc hóa trang mặc áo đen đi trong màn đêm, mặc áo trắng đi dật dờ trên tuyết hay áo rằn ri khi luồn lách trong bụi rậm (Hình 1). Thiên nhiên đã làm điều này từ ngàn xưa. Một số loài động vật, các loài cá thậm chí côn trùng đã được tạo hóa cho khả năng biến đổi màu sắc, hoa văn ngụy trang giống với môi trường xung quanh để bảo vệ bản thân hay phục kích con mồi. Con tắc kè hoa có lẽ là đỉnh cao của việc thay đổi và hòa hợp màu sắc với cây cỏ. 
Hình 1: Người "tàng hình" bằng sơn đứng cạnh bánh xe trước (Credit: Liu Bolin). Hiện tượng tàng hình hay hiện hình thật ra là kết quả của sự tương tác giữa ánh sáng (hay sóng điện từ ở nghĩa rộng) và vật chất. Ta nhìn thấy được mọi vật quanh ta là do sự phản xạ của ánh sáng và khi những tia sáng phản xạ đập vào mắt ta, thị giác cho ta sự cảm nhận màu sắc của những gì hiện hữu trong thế giới xung quanh. Nhưng khi màn đêm buông xuống hay ánh đèn trong một căn phòng phụt tắt thì mọi vật "tàng hình" vì không còn sự phản xạ của ánh sáng. Khi ánh sáng, hay nói rộng hơn là sóng điện từ, tác động lên vật chất thì có ba trường hợp xảy ra: (1) phản xạ (reflection), truyền xạ (transmission) và hấp thụ (absorption) (Hình 2).
Hình 2: Sự tương tác giữa sóng điện từ (hay ánh sáng) với vật chất. (1) Sóng tới, (2) Sóng phản xạ, (3) Sóng truyền xạ và (4) Hấp thụ. Như vậy, nếu muốn một vật tàng hình thì ta phải làm sao triệt tiêu được sự phản xạ của ánh sáng hay điều chỉnh hướng phản xạ của ánh sáng đi ra xa người quan sát. Ta có thể cảm nhận việc điều chỉnh hướng phản xạ ánh sáng trong cuộc sống hằng ngày. Khi ta đứng trực diện trước một tấm gương phẳng, ta sẽ nhìn thấy ta trong gương. Nhưng khi ta nghiêng tấm gương với một góc độ thích hợp, ta không còn thấy ta, ta đã "biến mất" trong gương. Tuy nhiên, khi ta có một cái gương hình cầu, dù có quay gương theo hướng nào hay ta di chuyển bất kỳ ở vị trí nào lúc nào cũng thấy ta hiện trong gương. Như vậy, đối với mặt cầu ở vị trí nào ánh sáng cũng có thể phản xạ đến người quan sát, trong khi mặt phẳng chỉ có một góc duy nhất làm ánh sáng phản xạ trở lại nơi người quan sát là khi ánh sáng tới đụng vào tấm gương ở góc 90 độ (khi ta đứng trực diện thẳng góc với tấm gương) (Hình 3). Đây là một thường thức nhưng lại là một phương pháp tạo dáng cơ bản cho máy bay và tàu chiến tàng hình. Từ kết quả này ta thấy ngay nếu một vật thể được nối kết một cách hợp lý từ các mặt phẳng thì vật này có khả năng làm phản xạ sóng radar đi ra xa người quan sát hơn vật thể hình cầu.
Hình 3: Sóng tới và sóng phản xạ của (a) mặt phẳng và (b) mặt cầu. Chỉ có sóng tới chạm vào mặt phẳng ở góc 90 sẽ phản xạ trở lại nguồn phát. Radar là công cụ rất hiệu quả để định vị, nhận dạng và truy tìm máy bay và tàu bè tầm xa. Sóng radar dùng trong quân sự và dân sự thường là sóng vi ba cũng có những hành xử và bản chất như ánh sáng, cùng là sóng điện trường chỉ khác nhau về tần số (hay bước sóng). Đó là loại sóng điện từ mà ta dùng trong lò vi ba để nấu ăn, hâm nóng hay dùng để nói chuyện qua điện thoại di động (Hình 4). Nhu cầu làm giảm thiểu hay triệt tiêu sóng phản xạ radar để "hô biến" đưa đến việc triển khai vật liệu hấp thụ radar hay còn gọi là vật liệu tàng hình. Cuối cùng, một vật liệu đang làm chấn động cộng đồng nghiên cứu khoa học có tên là "siêu vật liệu" (metamaterial) mà các nhà nghiên cứu trong lĩnh vực này tin rằng cái áo choàng làm bằng siêu vật liệu sẽ còn hiệu nghiệm hơn cái áo choàng của Harry Potter, khiến cho người mặc tàng hình trước "mắt thần" radar cũng như mắt thịt của người trần. Có thật hay không? Chúng ta hãy đi vào những phần kế tiếp để hiểu rõ các quy luật vật lý đã làm nền tảng trong việc tạo dáng tàng hình, cũng như các nguyên lý chế tạo vật liệu hấp thụ radar và siêu vật liệu.
Hình 4: Các loại sóng điện từ. Wavelength: bước sóng, Frequency: tần số, Radio waves: sóng radio, FM radio and TV: sóng FM radio và tivi, Microwaves: vi ba, Infrared: hồng ngoại, Optical IR: hồng ngoại quang học, Ultraviolet: tử ngoại, Optical UV: tử ngoại quang học, X-radiation: bức xạ X, Gamma radiation: bức xạ gamma, Visible spectrum: phổ ánh sáng thấy được, Red: đỏ, Green: xanh lục, Blue: xanh lam, Crimson: đỏ thắm, Yellow: vàng, Cyan: xanh cyan, violet: tím (Nguồn: Google). 2. Hình dạng vật thể và tiết diện radar Thiết bị radar phát ra sóng điện từ ở các tần số khác nhau, từ megahertz (MHz) đến gigahertz (GHz), tùy theo nhu cầu như giám sát (surveillance), theo dõi (tracking), định vị hay truy lùng mục tiêu. Khi sóng được phát ra từ nguồn phát chạm vào một vật thì sóng bật lại do sự phản xạ. Làn sóng phản xạ được ghi nhận bởi một đài thu sóng và từ đó người ta có thể định vị và nhận dạng mục tiêu. Trên màn hình radar ở trạm thu sóng, sóng phản xạ cho biết độ lớn của mục tiêu. Thuật ngữ chuyên môn của độ lớn này là "tiết diện radar" (radar cross section). Nếu mục tiêu là một vật thể làm từ vật liệu giống nhau thì đương nhiên độ lớn của vật càng to thì tiết diện radar càng to. Sự ra đời của radar trong Thế Chiến thứ 2 đã mang đến nhiều ứng dụng trong dân sự lẫn quốc phòng. Trong các ứng dụng dân sự tiết diện radar to là điều kiện cần thiết để theo dõi và giám sát máy bay hành khách hay thương thuyền trên biển khơi. Ngược lại, trong ứng dụng quân sự để tránh sóng radar truy lùng của đối phương, máy bay và các chiến hạm phải có tiết diện radar càng nhỏ càng thuận lợi. Từ nhu cầu lẩn tránh con mắt thần của phe địch, ngày khai sinh của radar hơn 60 năm trước cũng là ngày khai sinh của kỹ thuật tàng hình như một chiêu thức hóa giải radar. Kỹ thuật này bao gồm nhiều nghiên cứu lý thuyết về tác động của sóng điện từ lên trên bề mặt vật chất nhằm tối ưu hoá các vật liệu hấp thụ radar (radar absorbing materials, RAM) cũng như việc thiết kế bề mặt để vật thể có một tiết diện radar cực nhỏ. Khi tiết diện tiến đến zero, thì ta thực sự "hô biến" trên màn hình radar của đối phương! Các nhà tàng hình học còn có một tham vọng cao hơn là tạo ra một vật thể có tiết diện radar lớn hoặc nhỏ tùy lúc theo ý muốn của người điều khiển. Có nghĩa là một chiếc đấu cơ hay chiến hạm sẽ có khả năng "tàng hình" hay "hiện hình" trước radar của đối phương. Nghe như người hùng trong truyện cổ tích có bao phép thần thông, nhưng đây là mục tiêu của những nhà tàng hình học nhắm đến. Như chiến lược gia Tôn Tử đã nói hơn hai ngàn năm trước "Việc binh là việc giả dối", thật là một đột phá tuyệt vời nếu các nhà khoa học quân sự có thể làm chiến đấu cơ hay chiến hạm biết "giả dối", hiện hình trước con mắt radar của đối phương trong thời bình và khi lâm trận tấn công trong thời chiến nó sẽ đổi sang tư thế tàng hình. Việc này có thực sự khả thi không? Chúng ta hãy đi theo trình tự từ dễ đến khó, hiểu những quy luật thiết kế vật "tàng hình" từ đơn giản đến phức tạp. Những ai đã từng có kinh nghiệm về đầu tư địa ốc đều biết ba điều tâm niệm vàng ngọc khi mua nhà đất là "địa điểm", "địa điểm" và... "địa điểm"; thì trong việc tạo dựng chiếc máy bay và tàu chiến tàng hình những nhà khoa học và kỹ sư thiết kế cũng có ba chiến lược quan trọng là "hình dáng", "hình dáng" và... "hình dáng"! Việc tạo dáng để giảm thiểu sóng phản xạ radar là điều kiện tiên quyết của kỹ thuật tàng hình và những yếu tố tàng hình khác sẽ được lần lượt "hạ hồi phân giải". Thí dụ về cái gương phẳng và gương hình cầu ở bên trên cho ta một khái niệm cơ bản về thiết kế. Mặt phẳng với một độ nghiêng thích hợp sẽ phản xạ sóng radar ra xa người quan sát (tức là nguồn phát radar) và mặt cầu phản xạ trở lại đúng ngay người quan sát (Hình 3). Thí dụ dễ hiểu này đưa ra một kết quả quan trọng là chớ có bao giờ thiết kế với mặt cầu nếu muốn vật thể tàng hình. Việc định lượng tiết diện radar của vật thể từ đơn giản đến phức tạp trở thành một ngành đặc biệt của điện từ học. Vật thể đơn giản có nghĩa là những hình dạng đơn giản như mặt phẳng, hình cầu, hình trụ, hình nón, hình khối. Vật thể phức tạp là máy bay, tàu bè, xe hơi, con người, thú vật, chim muông, thậm chí côn trùng, lùm bụi, cây cỏ. Sự phản hồi của sóng radar từ một vật thể không phải đơn thuần chỉ là sự phản xạ mà còn bao gồm cả nhiễu xạ (diffraction) ở những đỉnh nhọn, đường mép của vật thể. Định lượng sóng phản hồi radar càng rắc rối khi hình thể của mục tiêu quan sát càng phức tạp và vì vậy người ta cần có một mô hình toán học tinh vi và lập trình vi tính thích hợp để tìm ra những đáp án. Và cái đáp án mong muốn cũng rất đơn giản là làm sao tìm ra một thiết kế tạo dáng tối ưu để cho một vật thể cực to nhưng có tiết diện radar cực nhỏ. Vào thập niên 60 của thế kỷ trước, một nhà khoa học Nga trẻ tên là Petr Ufimtsev đã tạo ra một mô hình toán học để tính toán sự phản xạ, nhiễu xạ và tán xạ (scattering) của sóng điện từ từ một vật thể được làm nên bởi các mặt phẳng với các độ nghiêng khác nhau. Thập niên 60 là điểm cao của chiến tranh lạnh, chính phủ Liên Xô lập ra nhiều tầng kiểm soát để bảo mật những tài liệu nhạy cảm có liên quan ít nhiều đến an ninh quốc gia. Nhưng thật không ngờ mô hình toán học của Ufimtsev được cho phép công bố rộng rãi tại Liên Xô và toàn thế giới. Sự sơ hở xảy ra có lẽ vì Ufimtsev là một nhà vật lý trẻ tuổi vô danh và mô hình toán của ông chỉ được các "cây đa, cây đề" của nhà cầm quyền Liên Xô đánh giá như là kết quả của một nghiên cứu cơ bản chung chung không có giá trị quốc phòng lẫn kinh tế. Như một báu vật từ trên trời rơi xuống, khi bài báo cáo được dịch từ tiếng Nga sang tiếng Anh các chuyên gia tại hãng hàng không Lockheed (Mỹ) có mắt tinh đời nhanh tay vồ ngay lấy mô hình này, rồi từ đó triển khai thành một lập trình vi tính mang tên là Echo 1 để tìm lời giải cho mô hình Ufimtsev và tính toán tiết diện radar của chiếc máy bay làm từ các mặt phẳng. Những tính toán này cho thấy vật to không nhất thiết cho một tiết diện radar to nếu ta biết sắp xếp bề mặt làm giảm thiểu sự phản hồi sóng radar. Năm 1975, các chuyên gia Lockheed đã tìm ra một thiết kế tối ưu cho máy bay tàng hình có một tiết diện radar rất nhỏ vì những luồng sóng tới radar bị tán xạ ra xa người quan sát. Chỉ vài năm sau, không quân Mỹ cho chào đời chiến đấu cơ F-117 Nighthawk (Chim ưng đêm) với thân máy bay được lắp ghép với những mặt phẳng ba chiều (faceted surface) giống như chiếc máy bay giấy origami của trẻ con (Hình 5).  
(a) (b) Hình 5: (a) F-117 Nighthawk với các mặt phẳng origami và (b) B-2 Spirit với rìa cánh tròn tránh nhiễu xạ và thân máy bay được tối ưu hóa cho hiệu quả khí động lực học và hiệu ứng tàng hình (Nguồn: Wikipedia). Không thiếu gì những lời ca lãng mạn tôn vinh người hùng chiến sĩ phi công tung đôi cánh sắt, lái những chiếc chiến đấu cơ hiện đại trông rất ngầu gầm thét xé toạt không gian, đảo lượn trên khung trời xanh "lênh đênh ngàn mây trôi êm đềm", mang tới cho người em gái hậu phương sầu mộng biết bao niềm đam mê ngây ngất... Nhưng mặt sau của sự lãng mạn này chỉ là những sự kiện khoa học lạnh lùng và trần trụi. Việc đảo lượn của một chiếc máy bay siêu âm như chiến đấu cơ cần phải tuân thủ những nguyên lý của khí động lực học (aerodynamics). Tuy nhiên, mặt phẳng origami không phải là hình dạng đem lại những ưu thế khí động lực học cho việc thao tác, đảo lượn và gia giảm vận tốc.
Hình 6: Tàu chiến tàng hình Sea Shadow (Mỹ) với mặt phẳng origami (Nguồn: Wikipedia). Các nhà tàng hình học vẫn chưa dừng bước ở việc thiết kế hình dáng mà còn tiến thêm bước kế tiếp làm tiết diện radar của một vật thể càng nhỏ hơn. Vấn đề cũng là câu chuyện cũ xoay quanh việc giảm thiểu hoặc lý tưởng hơn là triệt tiêu luồng sóng phản xạ, nhiễu xạ từ thân máy bay. Khi một vật liệu có khả năng hấp thụ một phần hay toàn thể năng lượng sóng tới radar thì sóng phản xạ sẽ giảm thiểu hay hoàn toàn triệt tiêu. Kim loại vì tính dẫn điện rất cao phản xạ gần 100 % sóng radar. Bởi đặc tính nhẹ, cơ tính bền và dễ gia công, nhôm là một vật liệu thích hợp cho việc chế tạo các loại máy bay, và thép được dùng cho tàu bè. Như vậy, nếu không có một bề mặt đặc thù và một lớp sơn tàng hình thì máy bay hay chiến hạm sẽ có tiết diện radar rất lớn. "Pháo đài bay" B-52 đã từng gầm thét trên bầu trời Việt Nam với lối thả bom rải thảm trong những năm chiến tranh khốc liệt và trên chiếc trường vùng Vịnh, thực ra chỉ một chiếc máy bay bình thường rất đỗi "thật thà" vì không được trang bị những phương tiện "giả dối" để tàng hình. Nếu đánh giá theo quan điểm tàng hình đòi hỏi những đặc tính giống như "ninja" mờ mờ ảo ảo với những hành xử im lìm "xuất quỷ nhập thần" thì B-52 là kẻ đội sổ! Chiếc máy bay ném bom này được người Mỹ liệt kê vào hạng máy bay chiến thuật (tactical) là một vật thể biết bay cao nhưng không biết ẩn hình, vừa ồn ào vừa to xác chỉ lấy sức mạnh đè người. B-52 có chiều ngang đôi cánh là 56 m (máy bay tàng hình B-2: 52 m) và chiều dài là 50 m (B-2: 21 m). Kích thước của B-52 và B-2 có thể coi như là ngang nhau nhưng tiết diện radar của B-52 có độ lớn là 100 m2 so với B-2 là 0,1 m2 (1000 lần nhỏ hơn). F-117 càng nhỏ hơn có trị số là 0,025 m2 (4.000 lần nhỏ hơn). Trên màn hình radar, B-2 hay F-117 có tiết diện tương đương với loài chim [1]. 3. Vật liệu hấp thụ radar Như đã đề cập ở trên, khi sóng điện từ chạm vào một vật thì sự phản xạ, truyền xạ và hấp thụ xảy ra (Hình 2). Muốn làm giảm phản xạ, ta cần gia tăng sự truyền xạ hay hấp thụ. Người vô hình trong quyển tiểu thuyết "Invisible Man" là một nhân vật có chiết suất giống như không khí. Tác giả quyển sách có một ý tưởng ngộ nghĩnh nhưng mang một chút màu sắc khoa học. Khi ánh sáng đi qua hai môi trường có chiết suất giống nhau thì sẽ không có sự phản xạ mà chỉ có sự truyền xạ 100% và nhân vật này trở nên trong suốt đối với ánh sáng; anh ta tàng hình. Sóng radar phần lớn truyền xạ qua thủy tinh, gốm sứ và plastics. Máy bay làm bằng thủy tinh, gốm sứ hay plastic sẽ tàng hình nhờ sự truyền xạ, nhưng chế tạo máy bay bằng các vật liệu này đây là việc không tưởng. Sóng radar cũng truyền xạ qua composite chứa sợi thủy tinh. Sợi thủy tinh bền chắc có thể làm vật liệu cho thân máy bay tàng hình. Nhưng máy móc, vật dụng và con người trong máy bay lại là những vật phản xạ. Giảm phản xạ bằng cách dùng vật liệu truyền xạ là một việc hoàn toàn không thực tế. Chọn lựa còn lại là hấp thụ năng lượng sóng radar để làm giảm thiểu hay triệt tiêu phản xạ. Sự hấp thụ này biến năng lượng sóng thành nhiệt. Sóng radar thường nằm trong vùng vi ba (microwave) có tần số từ 1 – 18 GHz của phổ điện từ (Hình 4). Ở tần số này bước sóng có chiều dài từ milimét đến vài centimét. Để hiểu rõ sự phản xạ, truyền xạ và hấp thụ của sóng điện từ, ta không cần tưởng tượng mông lung xa vời mà hãy nhìn cái lò vi ba khiêm tốn trong nhà bếp. Lò phát sóng ở tần số 2,45 GHz (bước sóng: 12,2 cm) là tần sóng "anh em" của radar. Ở tần số này nước trong thức ăn như thịt cá, rau cải sẽ hấp thụ năng lượng vi ba và biến thành nhiệt. Kim loại là vật liệu phản hồi vi ba rất tốt. Vách lò kim loại phản xạ toàn bộ vi ba vào thức ăn. Cánh cửa lò được làm bằng thủy tinh để quan sát bên trong lò. Như đã đề cập ở trên, vi ba truyền xạ qua thủy tinh và lọt ra ngoài. Để có sự an toàn, người ta dùng vách kim loại với những lỗ nhỏ có đường kính vài milimét nhỏ hơn bước sóng vi ba (12,2 cm). Nó vừa là bức tường ngăn chặn sự rò rỉ vi ba ra ngoài vừa là cửa sổ quan sát. Thí dụ này cho thấy sự phản xạ từ bề mặt kim loại và sự hấp thụ năng lượng vi ba của một vật khi có điện tính hay từ tính thích hợp. Nước trong thức ăn có điện tính thích hợp cho việc hấp thụ vi ba ở tần số 2,45 GHz. Trong Thế Chiến thứ 2, không quân Anh đã làm quân đội Đức quốc xã nhiều phen điêu đứng vì những chiến đấu cơ loại nhỏ có tên là Mosquito (Con muỗi). Những "Con muỗi" này bay nhanh, oanh tạc chính xác và làm đối phương điên đầu vì radar phòng không của Đức không nhìn thấy Mosquito! Những trận ra quân và chiến thắng của Mosquito trở thành huyền thoại của Thế chiến thứ 2 và là niềm tự hào của không quân Hoàng gia Anh. Các chiến tích và tự hào này chỉ dựa trên một sự kiện rất đỗi khiêm tốn và đơn giản là thân những chiến đấu cơ "Con muỗi" này được chế tạo bằng... ván ép (plywood). So với kim loại, gỗ là một vật liệu phản xạ sóng radar rất tồi và chính cái "tồi tệ" này mà radar của quân Đức không phát hiện kịp thời các lượt tấn công của "muỗi". Sự thành công ngoài dự tưởng của chiến đấu cơ Mosquito là một ngẫu nhiên hơn là cố ý. Ngẫu nhiên chiến trường đã trở thành điều may mắn cho nhân loại. Trên luận điểm khoa học cái ngẫu nhiên này một cách gián tiếp cho thấy một điều hiển nhiên nhưng ít người chú ý là phản xạ của sóng radar rất khác nhau giữa nhôm và gỗ. Người Anh không có ý định chế tạo "Mosquito" như một loại máy bay tàng hình. Trong lúc nhôm đã là một vật liệu tuyệt vời chế tạo máy bay, thì việc sử dụng ván ép thật là một ý tưởng lạ lùng, kéo lùi lại kỹ thuật thiết kế thân máy bay trở lại thuở ban sơ của công nghệ hàng không, nhưng vì sự khan hiếm nhôm trong thời chiến họ phải dùng gỗ để thay thế. Gần 8.000 chiếc Mosquito đã được chế tạo và sử dụng trong Thế chiến thứ 2. Sự khác nhau giữa gỗ và nhôm đã chứng minh rằng sự tương tác giữa sóng điện từ và vật liệu qua các hiện tượng như phản xạ, truyền xạ, hấp thụ, nhiễu xạ và khúc xạ đều tùy thuộc vào điện tính và từ tính của vật liệu đó. Điều này rất thật vì bản chất sóng điện từ, như cái tên đã diễn đạt và qua sự phát hiện của nhà vật lý học James Maxwell, là do sự hôn phối rất là hạnh phúc giữa điện trường và từ trường. Cho nên, tác dụng của sóng điện từ lên một vật liệu gây ra sự dao động lưỡng cực điện (electric dipole) hay lưỡng cực từ (magnetic dipole) của phân tử vật chất. Sự dao động của các lưỡng cực trở nên cực đại khi có sự cộng hưởng xảy ra ở một tần số nào đó tùy vào đặc tính của vật chất. Sự cộng hưởng đưa đến sự hấp thụ năng lượng sóng tối đa ở tần số đó và tan biến thành nhiệt như ta thấy nước trong thức ăn trong lò vi ba ở tần số 2,45 GHz. Mặc dù sự hấp thụ sóng, như ta thấy, là một hiện tượng xảy ra ở thang phân tử, nhưng người ta có thể thiết lập một công thức đơn giản để đo độ phản xạ và hấp thụ của sóng điện từ trên bề mặt các loại vật liệu ở các bước sóng (tần số) khác nhau dựa vào phương trình sóng điện từ nổi tiếng của Maxwell. Ở đây người viết xin được mở ngoặc nói sơ lược về phương trình sóng điện từ của thiên tài James Maxwell người Scotland vào thế kỷ 19. Khi nói đến sóng điện từ người ta bắt buộc phải nói đến phương trình Maxwell. Bằng bốn công thức đơn giản nhưng súc tích, phương trình sóng Maxwell đã kết hợp điện trường và từ trường, hai thực thể khác biệt, để mô tả bản chất của sóng điện từ. Cái vĩ đại của phương trình này đã khiến cố giáo sư Richard Feynman (Nobel Vật lý 1965) phải thốt lên rằng "Một vạn năm sau hậu thế vẫn xem phương trình Maxwell là một phát hiện vĩ đại nhất của thế kỷ 19. So với nó, những sự kiện lịch sử khác cùng thời sẽ đi vào quên lãng như một việc tầm thường ở tỉnh lẻ". Phương trình Maxwell cho thấy những loại sóng khác nhau từ sóng radio có bước sóng cực dài hàng chục kilomét đến tia X, tia gamma năng lượng cao với bước sóng cực ngắn picomét (10-12 m) đều là bà con họ hàng được gọi chung là sóng điện từ. Phương trình Maxwell còn tính được vận tốc truyền sóng cũng là vận tốc truyền ánh sáng (khoảng 300.000 km/s). Từ sự tương đồng cơ bản này Maxwell đã kết luận ánh sáng thấy được bao gồm ánh sáng đỏ, vàng, xanh, tím, chẳng qua cũng là một vùng sóng trong phổ điện từ. Sự vĩ đại của phương trình Maxwell là nó đã khai minh một loạt sự kiện khoa học mang tính đột phá có tầm vóc thời đại như: (1) thống nhất điện trường và từ trường, (2) thống nhất các loại sóng, (3) ánh sáng cũng là sóng điện từ và (4) đặt một nền tảng định lượng để lý giải sự tương tác giữa sóng điện từ và vật chất. Trong cuộc sống hiện đại, con người được "tắm" trong sóng điện từ. Không gian sinh hoạt của chúng ta tràn ngập sóng radio cho việc truyền thanh, truyền hình, sóng radar, sóng vi ba, sóng điện thoại và đương nhiên ánh sáng, tia hồng ngoại và tử ngoại từ mặt trời. Nếu không có phương trình sóng Maxwell có lẽ sẽ không có nền thiên văn học hiện đại và cũng sẽ không có những công cụ viễn thông từ những đài thu phát sóng khổng lồ, những tháp ăng-ten cao ngất ngưởng đến chiếc điện thoại di động nhỏ bé. Nó đã tạo một cuộc cách mạng trong các phương thức liên thông giữa con người và đồng loại mà còn nối kết con người với vũ trụ bao la. Trở lại cái sườn gỗ của Mosquito. Gỗ đã được dùng thành công cho chiến đấu cơ Mosquito, vì gỗ tán xạ và hấp thụ sóng radar làm giảm độ phản xạ do độ dẫn điện của gỗ thấp, nhưng không ai muốn quay về thời mông muội của ngành hàng không. Sự ngẫu nhiên đầy may mắn này chỉ ra một nguyên lý thô sơ là ta phải dùng vật liệu có độ dẫn điện trung bình để gia tăng sự hấp thụ năng lượng sóng làm giảm sóng phản xạ. Việc nghiên cứu vật liệu hấp thụ sóng radar (radar absorbing materials, RAM) ra đời. Xuất phát từ phương trình Maxwell, việc định lượng độ phản xạ của sóng điện từ được diễn tả bằng một công thức đơn giản cho chúng ta những con số tùy theo điện tính, từ tính của vật liệu và tần số sóng. Điện tính được biểu hiện qua độ dẫn điện hay độ điện thẩm (permitivity) và từ tính được biểu hiện bằng độ từ thẩm (permeability) [2] (Phụ lục a). Uy lực của phương trình Maxwell tỏa sáng khi công thức của độ phản xạ ở vùng sóng radar (tần số 1 - 18 GHz) cho thấy sóng radar phản xạ gần như 100 % từ các bề mặt kim loại. Sau Thế Chiến thứ 2 các chuyên gia tàng hình học vẫn không ngừng nghiên cứu vật liệu hấp thụ sóng radar. Hòa bình trở lại nhưng thế giới lại chìm đắm trong chiến tranh lạnh và nhu cầu "nhìn trộm" lẫn nhau thúc đẩy việc chế tạo những chiến máy bay trinh sát được phủ lớp sơn hấp thụ radar và có thể bay thật cao để tránh radar của đối phương. Từ công thức định lượng độ phản xạ, các nhà khoa học tính được độ dẫn điện (qua độ điện thẩm) và từ tính (độ từ thẩm) của vật liệu thích hợp cho việc hấp thụ trong vùng vi ba (tần số 1 đến 18 GHz). Họ xác nhận các loại bột carbon có độ dẫn điện thấp hay bột sắt (carbonyl iron), oxit sắt hay oxit hợp chất sắt (thí dụ: ferrite) có từ tính thích hợp. Họ chế ra một loại sơn chứa hạt carbon hay chứa bột sắt hay một phức hợp chứa cả hai. Lớp sơn sẽ được phủ lên thân máy bay với độ dày thường là 5 - 10 mm. Những vật liệu này hấp thụ 50 - 90 % năng lượng sóng radar trong vùng vi ba có tần số 1 - 18 GHz. Lớp sơn dày chứa bột sắt, oxit sắt dễ bị rỉ sét và làm gia tăng trọng lượng của vật thể được phủ khá đáng kể. Yếu tố này gây ra nhiều điểm bất lợi trong khi tính bền của sơn và việc giảm trọng lượng thân máy bay, tàu thủy lúc nào cũng là nguyên lý hàng đầu của các thiết kế công nghệ. Ngoài ra, lớp sơn chỉ hấp thụ radar ở một tần số, nếu không may tần số radar của đối phương nằm ngoài tần số hấp thụ thì lớp sơn vô hiệu. Kết quả là ta mắc lưới radar, ở trong tầm nhìn của phe địch và vận mệnh của ta sẽ nằm trong bàn tay lông lá của đối phương đáng sợ! Sự ra đời của sợi carbon (carbon fibres) vào thập niên 60 của thế kỷ trước tạo ra các composite có chất nền polymer và sợi carbon vừa nhẹ vừa bền cho các ứng dụng cấu trúc. Giống như hạt carbon, sợi carbon cũng có độ dẫn điện thích hợp cho việc hấp thụ vi ba nên composite sợi carbon vừa là vật liệu cấu trúc vừa là vật liệu tàng hình. Không có gì ngạc nhiên khi composite sợi carbon là một ứng viên sáng giá trong tất cả vật liệu cho chế tạo máy bay, tàu chiến tàng hình hiện đại. Trong các ứng dụng thực tiễn, vật liệu lý tưởng cho việc hấp thụ radar cần một lúc ba điều kiện là bền, nhẹ và hấp thụ thật nhiều trên một băng tần thật rộng (tương phản với một tần số). Như vậy, các nhà khoa học giải quyết vấn đề này như thế nào? Chúng ta hãy đi vào các phần kế tiếp. tải về 231.63 Kb. Chia sẻ với bạn bè của bạn:
|
