Một góc trưng bày tại Bảo tàng Vũ trụ Việt Nam.
Trong bối cảnh đó, vật liệu trở thành yếu tố then chốt. Hướng tiếp cận phổ biến hiện nay là sử dụng vật liệu tổng hợp sợi carbon thay cho hợp kim nhôm truyền thống. Loại vật liệu này nhẹ hơn đáng kể nhưng vẫn duy trì độ bền, độ cứng cao và cho phép thiết kế linh hoạt theo yêu cầu. Nhờ vậy, chúng không chỉ phù hợp cho các kết cấu chính mà còn đặc biệt tiềm năng trong chế tạo hộp bảo vệ linh kiện, nơi chứa các thiết bị điện tử nhạy cảm, phải chịu rung động khắc nghiệt trong quá trình phóng vệ tinh. Tuy nhiên, hạn chế của vật liệu lại nằm ở lớp keo epoxy - phần “kết dính” các lớp cấu trúc, vốn có xu hướng giòn và dễ nứt khi chịu tải động.
Từ yêu cầu thực tiễn đó, Tiến sĩ Tô Anh Đức và nhóm nghiên cứu của Trung tâm Vũ trụ Việt Nam - Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam đã thực hiện thành công đề tài cấp Viện Hàn lâm: “Nghiên cứu chế tạo và thử nghiệm ứng dụng vật liệu CFRP/CNMs trong hộp bảo vệ linh kiện của vệ tinh”. Nghiên cứu được thực hiện từ tháng 1/2024 đến tháng 12/2025.
Thay vì phải làm mới toàn bộ vật liệu, nhóm nghiên cứu lựa chọn hướng đi hiệu quả hơn bằng việc cải thiện chính phần yếu nhất là keo epoxy - loại nhựa đóng rắn có vai trò như “chất keo” liên kết các lớp sợi với nhau, bằng cách bổ sung ống nanocarbon. Đây là vật liệu có độ bền rất cao nhưng lại có nhược điểm lớn là dễ kết tụ thành từng cụm, làm giảm hiệu quả gia cường. Nhóm nghiên cứu đã thực hiện biến tính bề mặt ống nanocarbon bằng cách gắn thêm các nhóm chức hóa học (-COOH), để chúng có thể “hòa nhập” tốt hơn với lớp keo epoxy. Kết quả là các ống nano không còn tụ lại thành từng cụm mà phân tán đều trong vật liệu. Sự thay đổi này diễn ra ở cấp độ rất nhỏ nhưng lại tạo ra khác biệt lớn: Vật liệu trở nên ổn định hơn, lực được truyền và phân bố đều hơn, nhờ đó hạn chế nứt gãy.
Từ nền tảng đó, nhóm tiếp tục hoàn thiện toàn bộ quy trình từ phân tán vật liệu nano, chế tạo keo epoxy gia cường, đến tích hợp với sợi carbon để tạo thành vật liệu tổng hợp sợi carbon hoàn chỉnh. Tiến xa hơn, nhóm đã chế tạo hộp bảo vệ linh kiện vệ tinh thực tế và tiến hành thử nghiệm rung động mô phỏng điều kiện phóng, bước kiểm chứng mang tính quyết định.
Kết quả cho thấy sự khác biệt rất rõ ràng. Khi sử dụng ống nanocarbon chưa xử lý, vật liệu gần như không được cải thiện do hiện tượng kết tụ, thậm chí có thể làm suy giảm cơ tính. Ngược lại, với ống nanocarbon, đặc biệt ở hàm lượng tối ưu khoảng 0,2%, vật liệu đạt được sự cân bằng ấn tượng giữa độ bền và độ dẻo, vừa chịu lực tốt hơn, vừa tăng khả năng biến dạng trước khi gãy.
Ứng dụng vào vật liệu tổng hợp sợi carbon vào chế tạo hộp bảo vệ linh kiện, hộp này chỉ nặng khoảng 65 gram, tương đương khoảng 70% so với khối lượng của hộp nhôm cùng kích thước nhưng vẫn đảm bảo độ cứng và độ kín cần thiết. Khi thử nghiệm rung động mô phỏng quá trình phóng, các thông số dao động của hộp thay đổi rất nhỏ (đều nằm trong giới hạn cho phép theo tiêu chuẩn quốc tế), cho thấy cấu trúc gần như không bị ảnh hưởng sau thử nghiệm. Điều này khẳng định vật liệu đủ độ tin cậy để hướng tới ứng dụng thực tế.
Một điểm đáng chú ý là khi xét trên cùng đơn vị khối lượng, hộp vật liệu tổng hợp sợi carbon cho hiệu quả chịu tải và độ cứng cao hơn so với nhôm, đặc biệt ở phương chịu rung chính. Nói cách khác, vật liệu mới không chỉ nhẹ hơn mà còn “làm việc hiệu quả hơn” - lợi thế quan trọng trong thiết kế vệ tinh hiện đại.
Hội đồng nghiệm thu cấp Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam đánh giá cao kết quả nghiên cứu của nhóm với hướng tiếp cận mang tính hệ thống trong lĩnh vực công nghệ vật liệu cho vệ tinh. Đề tài cũng đã triển khai trọn vẹn chuỗi giá trị từ nghiên cứu vật liệu, phát triển công nghệ đến chế tạo sản phẩm và thử nghiệm trong điều kiện mô phỏng thực tế. Đáng chú ý, việc cải tiến ở cấp độ vật liệu với lớp keo epoxy, đề tài đã từng bước góp phần hình thành giải pháp cho bài toán công nghệ vệ tinh theo hướng nhẹ hơn, bền hơn và phù hợp với điều kiện triển khai thực tế tại Việt Nam.
Tiến sĩ Lê Xuân Huy - Phó Tổng Giám đốc Trung tâm Vũ trụ Việt Nam cho rằng, các nghiên cứu ứng dụng như đề tài Tiến sĩ Tô Anh Đức và nhóm nghiên cứu thực hiện là một phần trong quá trình tích lũy năng lực công nghệ của Trung tâm Vũ trụ Việt Nam. Trong lĩnh vực vũ trụ, năng lực tự chủ không hình thành ngay từ một sản phẩm hoàn chỉnh, mà được xây dựng dần thông qua việc nghiên cứu, thử nghiệm và làm chủ từng thành phần, từng module (thành phần) và từng quy trình kỹ thuật.
“Với đề tài của Tiến sĩ Tô Anh Đức và nhóm nghiên cứu thực hiện, có thể nhìn nhận đây là một hướng nghiên cứu bước đầu, góp phần mở rộng các phương án kỹ thuật trong việc bảo vệ linh kiện, thiết bị bên trong vệ tinh. Kết quả nghiên cứu cần tiếp tục được đánh giá, thử nghiệm và đặt trong các yêu cầu cụ thể của từng nhiệm vụ vệ tinh trước khi xem xét khả năng ứng dụng thực tế”, Tiến sĩ Lê Xuân Huy chia sẻ.
Tiến sĩ Lê Xuân Huy cho biết, ở góc độ Trung tâm Vũ trụ Việt Nam, những nghiên cứu như vậy giúp hình thành thêm dữ liệu, kinh nghiệm và đội ngũ cho các bài toán công nghệ vệ tinh trong tương lai. Đây là những bước đi cần thiết, góp phần từng bước nâng cao năng lực nội sinh, phục vụ mục tiêu lâu dài là làm chủ sâu hơn công nghệ vũ trụ của Việt Nam.