Từ ảo thuật đến siêu vũ khí của tương lai: chào mừng bạn đến với sức mạnh của nam châm

Chúng ta hãy cùng xem một màn ảo thuật thú vị nhé. Những dụng cụ cần thiết để thực hiện trò này hết sức đơn giản, chỉ gồm một ống nhựa, vài thỏi nam châm và một số cục bi sắt.

Hẳn sau khi xem xong video thì bất cứ ai, kể cả bạn, cũng có khả năng thử trò ảo thuật này. Nhưng có mấy ai hiểu điều gì đã diễn ra và tại sao viên bi cuối cùng lại bắn đi với một tốc độ nhanh như thế?

Thực ra, đây là dạng thiết kế đơn giản của Gauss rifle, một loại súng dùng từ tính để tạo gia tốc cho đạn. Cái tên "Gauss" là để tưởng nhớ nhà khoa học người Đức Carl Friedrich Gauss, người đã mô tả bằng phương trình toán học hiệu ứng từ tính được ứng dụng cho loại súng này.

Như bạn thấy trong video, các thỏi nam châm được đặt nối tiếp nhau ở một khoảng cách nhất định. Một mặt cùng bên của mỗi viên nam châm được đặt ít nhất hai viên bi sắt, và một viên bi sắt được đặt ở đầu ống đối diện để kích hoạt toàn bộ hệ thống.

Nguyên lý hoạt động là khi viên bi kích hoạt lăn đến gần thỏi nam châm đầu tiên, vận tốc của nó sẽ tăng lên trong khoảnh khắc do lực từ.

Đến khi sự va chạm xảy ra, một phần động lượng rất nhỏ của viên bi sẽ chuyển thành nhiệt năng. Số còn lại thì truyền tới các viên bi ở mặt bên.

Những viên bi ở giữa được lực từ giữ lại, chỉ viên bi ngoài cùng nhận động lượng và chuyển động với vận tốc gần như tương đương với viên bi kích hoạt lúc chạm vào thỏi nam châm.

Tương tự như vậy, viên bi mới phóng ra lại đóng vai trò là bi kích hoạt với thỏi nam châm kế tiếp, và được gia tốc thêm nhờ lực từ. Quy trình như vậy cứ lặp đi lặp lại với gia tốc tăng dần cho đến viên bi cuối cùng sẽ được bắn đi với một vận tốc lớn hơn rất nhiều.

Sức mạnh của nam châm và vũ khí cho tương lai

Nguyên tắc gia tốc này đã được các cường quốc quân sự để ý, và từ đó chế tạo ra coilgun (hay súng cuộn). Coilgun được thiết kế với các cuộn nam châm điện nối tiếp nhau để gia tốc cho một viên đạn mang từ tính.

Khi cuộn nam châm điện thứ nhất bật lên, viên đạn sẽ bị hút tới. Khi đạn vừa mới bay vào, cuộn đầu tiên sẽ lập tức ngắt điện, trong khi cuộn thứ 2 được kích hoạt để tiếp tục gia tốc cho nó.  Cứ thế viên đạn sẽ bay ngày càng nhanh giống như viên bi ở trong trò ảo thuật của chúng ta.

Coilgun có những ưu điểm vượt trội so với súng thông thường là không cần dùng thuốc súng. Vì thế kích thước đạn sẽ nhỏ gọn hơn, không tạo ra tia lửa khi bắn, và súng cũng không bị giật do không có phản lực dội lại. 

Đặc biệt bằng việc sử dụng các vật liệu siêu dẫn trong nam châm điện, người ta có thể khiến đạn lơ lửng trong nòng súng, khiến năng lượng đạn không bị hao tổn do ma sát và có thể được bắn đi với một vận tốc vô cùng lớn.

Từ năm 1978, nhà khoa học người Nga, Bondaletov đã tạo ra được một gia tốc vô cùng khủng khiếp bằng coilgun của mình: ông đã gia tốc một chiếc vòng nặng 2 gram từ vận tốc 0 lên đến 5000m/s chỉ trong khoảng cách là... 1cm!

Để so sánh thì vận tốc 5000m/s là gần gấp 15 lần vận tốc âm thanh (mach 15). Trong khi đó, tốc độ tối đa của đạn súng trường hiện đại chỉ khoảng mach 3.6, và loại súng điện từ mới đây mà hải quân Mỹ mới thử nghiệm (thuộc dạng railgun) cũng chỉ đạt tới mach 6. 

Cần một lưu ý "nhẹ" rằng vận tốc mach 15 như trên đạt được chỉ với quãng đường 1cm, nếu tính ra gia tốc sẽ là 1,25 tỉ m/s2.

Hơn nữa, chỉ cần thiết kế coilgun bằng vật liệu siêu dẫn cùng nhiều pha tăng tốc, hiệu suất sử dụng năng lượng khi phóng đạn có thể lên đến hơn 90%, lớn hơn nhiều so với khoảng 32% ở súng truyền thống.

Bởi tất cả những điểm ưu việt đó mà coilgun đang được nghiên cứu ứng dụng cho quân sự tại nhiều cường quốc trên thế giới. Ngoài ra, hệ thống phóng máy bay bằng điện từ đang được phát triển cho các tàu sân bay mới của Mỹ cũng chính là một dạng thiết kế của coilgun.

Sau khi đọc xong, hẳn bạn có thể nghĩ rằng chẳng lẽ một thiết bị thú vị như Gauss rifle lại chỉ được dùng cho mục đích chiến tranh. Thực ra, ứng dụng của loại súng điện từ này còn có thể vươn ra tới tận... vũ trụ, bằng cách được sử dụng như một máy phóng những hàng hóa cần thiết từ Trái đất hoặc Mặt trăng ra ngoài không gian mà không cần đến động cơ tên lửa.

NASA đã và đang nghiên cứu chế tạo các khẩu coilgun khổng lồ để phục vụ cho kế hoạch này. Từ năm 1990, một thiết bị coilgun dài hàng km đã được thử nghiệm cho việc phóng các vệ tinh nhỏ lên quỹ đạo Trái đất. 

Và đến năm 2005 thì dự án StarTram được đề xuất nhằm tạo ra dạng ống phóng coilgun đưa hành khách và hàng hóa lên không gian với tổng khối lượng là 150.000 tấn mỗi năm!