Công nghệ bề mặt thông minh 6G của Trung Quốc biến radar thành nguồn điện cho máy bay tàng hình

Biến radar từ mối đe dọa thành nguồn năng lượng

Trong nhiều thập kỷ, máy bay quân sự dựa vào công nghệ tàng hình để tránh bị radar đối phương phát hiện. Nguyên lý cơ bản là tạo hình thân máy bay và phủ các vật liệu đặc biệt hấp thụ radar để làm tán xạ hoặc hấp thụ sóng vô tuyến chiếu tới, ngăn chúng phản xạ trở lại bộ thu. Giờ đây, các nhà nghiên cứu Trung Quốc đề xuất một bước tiến mang tính đột phá cho khái niệm này. Thay vì chỉ làm lệch hướng hoặc tiêu tán năng lượng radar, công nghệ mới hướng đến thu nhận năng lượng đó và chuyển đổi thành điện năng có thể sử dụng. Bước phát triển này, dựa trên kỹ thuật điện từ tiên tiến, có thể làm thay đổi căn bản cục diện tác chiến điện tử và tương lai của truyền thông không dây.

Nghiên cứu do một nhóm tại Đại học Điện tử và Công nghệ Tây An dẫn đầu, tập trung vào một hệ thống điện tử tự duy trì, kết hợp truyền thông tin không dây với thu nhận năng lượng. Trong các tình huống quân sự thực tế, công nghệ này có thể giúp máy bay tàng hình hấp thụ chùm radar đang khóa mục tiêu vào nó, rồi dùng năng lượng đó để cấp điện cho hệ thống đẩy, cảm biến hoặc liên lạc trên máy bay. Điều này tạo ra tình huống trong đó hành động phát hiện của đối phương vô tình cung cấp năng lượng cần thiết để mục tiêu hoạt động hoặc né tránh.

Khoa học đằng sau bề mặt thông minh có thể tái cấu hình

Cốt lõi của sáng kiến này là công nghệ có tên bề mặt thông minh có thể tái cấu hình (RIS). Trong khi công nghệ tàng hình truyền thống dựa vào các vật liệu thụ động được cố định ngay từ khâu sản xuất, RIS là một cấu trúc hai chiều linh hoạt, gồm hàng trăm hoặc hàng nghìn phần tử nhỏ có thể lập trình. Các phần tử này có thể điều khiển sóng điện từ theo thời gian thực, thay đổi những đặc tính như pha và biên độ để kiểm soát cách tín hiệu phản xạ hoặc được hấp thụ.

Các nhà nghiên cứu mô tả kiến trúc RIS này là giải pháp chi phí thấp, có khả năng lập trình cao cho các mạng không dây trong tương lai. Khác với ăng-ten thông thường cần nhiều điện năng và phần cứng để tạo tín hiệu, RIS chủ yếu điều chỉnh các tín hiệu sẵn có trong môi trường. Bằng cách lấy năng lượng từ radar hoặc các tín hiệu môi trường khác, bề mặt này có thể hoạt động mà không cần pin truyền thống. Các nguyên mẫu hiện nay cho thấy khả năng điều hướng chùm sóng tới góc cộng hoặc trừ 45 độ, với các búp sóng phụ thấp. Độ chính xác này giúp hệ thống cải thiện vùng phủ tín hiệu trong những tình huống đường truyền thẳng bị vật cản che khuất, một thách thức phổ biến ở đô thị và địa hình phức tạp.

Truyền đồng thời thông tin và năng lượng

Các nhà nghiên cứu đưa ra khái niệm truyền đồng thời thông tin và năng lượng có hỗ trợ RIS. Nói đơn giản, cùng một tín hiệu điện từ có thể vừa phục vụ liên lạc vừa được dùng để thu nhận năng lượng. Tín hiệu radar, đường truyền vệ tinh và tín hiệu liên lạc vốn đã phủ kín không phận quân sự lẫn dân sự. Thay vì chỉ xem môi trường điện từ này là nguồn nhiễu hoặc mối đe dọa, nghiên cứu cho rằng có thể coi đó là một nguồn tài nguyên quý giá.

Trong mô hình được đề xuất, bề mặt thông minh thu nhận tín hiệu đến và chuyển một phần năng lượng tới mạch thu năng lượng bên trong. Phần tín hiệu còn lại được điều chỉnh để phục vụ liên lạc hoặc kiểm soát tín hiệu. Bài báo nhấn mạnh rằng quá trình này có tính thụ động. Bản thân bề mặt không phát ra tín hiệu có thể bị phát hiện, một yếu tố quan trọng đối với các nền tảng cần duy trì khả năng tàng hình trước các hệ thống hỗ trợ tác chiến điện tử.

Tàng hình điện từ phối hợp

Nghiên cứu phác thảo tầm nhìn về khái niệm mà nhóm gọi là tàng hình điện từ phối hợp. Khái niệm này vượt ra ngoài ý tưởng một máy bay đơn lẻ ẩn mình. Thay vào đó, nhiều nền tảng kết nối mạng sẽ phối hợp hoạt động để giảm diện tích phản xạ radar tổng thể và mức độ bị cảm biến phát hiện. Bằng cách chia sẻ dữ liệu và điều chỉnh linh hoạt lớp phủ RIS, một đội hình máy bay không người lái hoặc máy bay có thể tạo ra các vùng mù hoặc gây nhiễu hệ thống theo dõi của đối phương hiệu quả hơn so với khi hoạt động riêng lẻ.

“Trong các nghiên cứu tình huống, bằng cách cùng tối ưu hóa những tham số như tạo chùm tia của bộ thu phát, quỹ đạo của robot và các hệ số RIS, chúng tôi đề xuất những giải pháp dựa trên học tăng cường sâu đa tác tử và tối ưu hóa đa mục tiêu để giải quyết các vấn đề như thiết kế tạo chùm tia, lập kế hoạch đường đi, cảm biến mục tiêu và tổng hợp dữ liệu”, các nhà nghiên cứu viết trong bài báo.

Cách tiếp cận phối hợp này mở rộng tới các đội hình gồm nhiều phương tiện, tăng cường khả năng tàng hình tập thể trên toàn phổ tần số vô tuyến. Nhóm nghiên cứu cho rằng kiến trúc này về lâu dài sẽ cho phép xây dựng các hệ thống cảm biến tích hợp thích ứng với môi trường, trong đó nền tảng phản ứng linh hoạt theo thời gian thực trước những mối đe dọa cụ thể mà nó gặp phải.

Ý nghĩa đối với viễn thông 6G

Dù các ứng dụng quân sự gây chú ý, các nhà nghiên cứu nhấn mạnh công nghệ này cũng có ý nghĩa sâu rộng đối với hạ tầng dân sự, đặc biệt là quá trình phát triển mạng 6G. Nhiều nhà khoa học cho rằng bước tiến lớn nhất của truyền thông không dây thế hệ tiếp theo không chỉ đến từ chip nhanh hơn, mà còn từ việc xem xét lại cách tín hiệu truyền qua môi trường. Các bề mặt thông minh có thể tái cấu hình chính là một trọng tâm lớn của nghiên cứu 6G.

Trong lĩnh vực viễn thông, bề mặt này hứa hẹn mở ra những đột phá 6G như tích hợp cảm biến và cấp năng lượng cho vệ tinh hoặc trạm gốc. Nền tảng phần cứng kết hợp truyền dữ liệu với chức năng tương tự radar nhằm tối ưu việc sử dụng tài nguyên phổ tần và phần cứng. Bằng cách cùng điều khiển sóng điện từ tán xạ và tín hiệu phát xạ chủ động, hệ thống giảm không gian vật lý và chi phí phần cứng thường cần thiết cho các chức năng đa năng như vậy. Điều này có thể mở đường cho các trạm gốc siêu nhỏ, dễ triển khai và tiết kiệm năng lượng hơn các tháp di động hiện nay.

Những người ủng hộ công nghệ cho rằng 6G có thể làm mờ ranh giới giữa thế giới vật lý và kỹ thuật số, mở đường cho các ứng dụng như ảnh ba chiều, bản sao số và mạng Internet vạn vật quy mô lớn. Trong môi trường như vậy, các thiết bị được trang bị bề mặt thông minh có thể liên tục thu nhận những lượng điện nhỏ nhưng hữu ích từ tín hiệu xung quanh, qua đó kéo dài thời lượng pin hoặc cho phép cảm biến tự cấp nguồn hoàn toàn.

Khả năng bảo mật và chống gây nhiễu

Ngoài khả năng thu nhận năng lượng, tính linh hoạt của công nghệ RIS còn mang lại những lợi thế đáng kể về bảo mật mạng. Bề mặt này có thể được cấu hình để tạo ra các vùng chết vô tuyến có chủ đích, giúp giảm nhiễu tín hiệu và nguy cơ bị nghe lén điện tử. Bằng cách chặn có chọn lọc tín hiệu tại những khu vực cụ thể, các cơ sở an ninh có thể ngăn dữ liệu rò rỉ ra ngoài hoặc tín hiệu trái phép xâm nhập.

Nghiên cứu dẫn lại các công trình trước đây cho thấy RIS cũng có thể được sử dụng trong công nghệ chống gây nhiễu, liên lạc cho máy bay không người lái và giám sát vô tuyến. Đây là những lĩnh vực mà các công cụ tối ưu hóa cũ thường gặp khó khăn. Cơ quan Vũ trụ châu Âu cũng đánh giá RIS là công nghệ tiềm năng cho liên lạc giữa vệ tinh và mặt đất, trong đó khả năng kiểm soát phản xạ và chuyển hướng tín hiệu có thể giúp định tuyến đường truyền tránh các chướng ngại vật như núi hoặc tòa nhà cao tầng.

Các nhà nghiên cứu từ Đại học Phúc Đán, Đại học Sydney và Tổ chức Nghiên cứu Khoa học và Công nghiệp Khối Thịnh vượng chung nhận định rằng khi kết hợp với trí tuệ nhân tạo, công nghệ này có thể tăng cường đáng kể tính bảo mật của các kết nối Internet vạn vật từ trên không xuống mặt đất. Vì vậy, công nghệ này không chỉ liên quan đến máy bay chiến đấu tàng hình mà còn với hệ sinh thái thiết bị kết nối rộng lớn dự kiến sẽ hiện diện trong các thành phố thông minh tương lai.

Thách thức và hạn chế

Dù có nhiều tiềm năng hứa hẹn, các nhà nghiên cứu nêu rõ những hạn chế hiện nay của công nghệ. Nghiên cứu chủ yếu đưa ra khuôn khổ lý thuyết và thực nghiệm, chứ chưa phải một hệ thống vũ khí được triển khai. Vẫn còn những thách thức đáng kể về khoa học vật liệu, độ bền, thiết bị điện tử điều khiển và mức độ phức tạp của môi trường điện từ trong thực tế.

Mức điện năng thu được hiện còn khiêm tốn. Dù ý tưởng chỉ dùng chùm radar để cấp điện cho động cơ phản lực hiện vẫn là chuyện khoa học viễn tưởng, lượng năng lượng này có thể đủ cho thiết bị điện tử hàng không công suất thấp, cảm biến hoặc bộ đệm liên lạc. Việc tích hợp các hệ thống như vậy lên những nền tảng di chuyển nhanh như máy bay phản lực hoặc tên lửa sẽ cần những đột phá hơn nữa để chịu được lực khí động học cực lớn và biến động nhiệt độ.

Hơn nữa, hiệu suất chuyển đổi năng lượng phụ thuộc nhiều vào tần số và cường độ của tín hiệu đầu vào. Dù tín hiệu 6G tần số cao mang năng lượng tập trung hơn, các hệ thống radar hiện nay hoạt động trên nhiều dải tần khác nhau, có thể không phù hợp tối ưu cho việc thu nhận năng lượng. Các nhà nghiên cứu thận trọng, không phóng đại tác động, đồng thời lưu ý rằng việc chiếu radar trở nên phản tác dụng mới chỉ là một thay đổi trong cách nhìn về mặt khái niệm, chưa phải thực tế vận hành trong tương lai gần.

Cuộc đua toàn cầu giành vị thế dẫn đầu 6G

Công nghệ này được phát triển trong bối cảnh cuộc đua toàn cầu nhằm định hình và chiếm ưu thế trong các tiêu chuẩn 6G ngày càng gay gắt. Mỹ và Trung Quốc đang cạnh tranh quyết liệt để xây dựng các trung tâm dữ liệu đặt trong không gian và hạ tầng không dây tiên tiến, có thể hỗ trợ trí tuệ nhân tạo và kết nối trong tương lai. Vị thế dẫn đầu của Trung Quốc trong nghiên cứu RIS có thể thúc đẩy năng lực triển khai mạng tái cấu hình, cải thiện vùng phủ sóng trong các tình huống không có đường truyền thẳng, nơi mạng 5G truyền thống gặp khó khăn.

Bằng cách tích hợp cảm biến, liên lạc và cấp nguồn trên cùng một nền tảng phần cứng, thiết bị này có thể mở ra nhiều ứng dụng tiên tiến, đồng thời giảm nguy cơ nghe lén và nhiễu. Nếu thành công, công nghệ có thể củng cố vị thế của Trung Quốc trong cuộc đua công nghệ toàn cầu, đồng thời định hình lại cách các hệ thống tàng hình và liên lạc tương lai tương tác với môi trường điện từ.

Tóm lại

• Các nhà nghiên cứu Trung Quốc phát triển một bề mặt điện từ thông minh có khả năng chuyển đổi sóng radar xung quanh thành điện năng.
• Công nghệ sử dụng bề mặt thông minh có thể tái cấu hình (RIS) để điều khiển sóng theo thời gian thực mà không cần pin truyền thống.
• Các ứng dụng gồm cấp điện cho hệ thống máy bay tàng hình bằng chùm radar đối phương và tăng cường viễn thông 6G.
• Hệ thống hỗ trợ tàng hình điện từ phối hợp, cho phép nhiều nền tảng cùng giảm khả năng bị phát hiện.
• Các nguyên mẫu có thể điều hướng chùm sóng tới góc cộng hoặc trừ 45 độ và tạo vùng chết vô tuyến có chủ đích để tăng cường bảo mật.
• Vẫn còn những thách thức về hiệu suất năng lượng, độ bền vật liệu và khả năng tích hợp lên các nền tảng quân sự di chuyển nhanh.