Ba công nghệ mới của NASA có khả năng biến ý niệm du hành liên sao thành hiện thực

Tại Phòng thí nghiệm Phản lực Đẩy, những trí óc sáng tạo đang nảy sinh những tư duy vượt trội, mong muốn mở ra khả năng của con người đến ngoài Hệ Mặt Trời.

Vào ngày 31 tháng 10 năm 1936, một nhóm sáu học sinh tự xưng là Rocket Boys gần như gặp nạn trong ngọn lửa khi cố gắng thoát khỏi ảnh hưởng của trọng lực Trái Đất. Tại chân núi San Gabriel ở California, nhóm bạn trẻ dũng cảm đã thử nghiệm một động cơ phản lực chạy bằng cồn; họ mong muốn chứng minh rằng công nghệ tên lửa có thể đưa con người vào không gian, trong khi lúc đó, loài người vẫn còn lo lắng về việc sử dụng máy bay dân dụng. Kế hoạch gặp trục trặc khi ống dẫn oxy bắt lửa và phát ra những ngọn lửa cháy ngùn ngụt.

Tư duy táo bạo của Rocket Boys thu hút sự chú ý của chuyên gia hàng đầu về khí động học Theodore von Karman, người đã từng hợp tác với hai trong số sáu cá nhân mạo hiểm này trong quá khứ khi họ đang nghiên cứu tại Đại học Caltech. Tại một vị trí lý tưởng, không xa nơi thí nghiệm sơ bộ được thực hiện, von Karman đã thiết lập một cơ sở khác, nơi Rocket Boys có thể tiếp tục thử nghiệm của họ.

Năm 1943, địa điểm này đã trở thành căn cứ của Phòng thí nghiệm Phản lực Đẩy (Jet Propulsion Laboratory - JPL), với Theodore von Karman giữ vai trò giám đốc đầu tiên. Đến nay, JPL đã phát triển thành một trong những cơ sở nghiên cứu hàng đầu của NASA với hàng ngàn nhân viên, nhưng phòng thí nghiệm cổ điển vẫn giữ vững tinh thần sáng tạo từ những ngày đầu thành lập. Các chuyên gia hàng ngày tiếp tục thử nghiệm giới hạn của du hành vũ trụ, cố gắng áp dụng những ý tưởng khoa học mà vẫn đáp ứng được thực tế.

Trong những năm qua, JPL đã đạt được nhiều thành công đáng kinh ngạc. Đầu thập kỷ 70, các kỹ sư của phòng thí nghiệm đã thành công trong việc chế tạo Pioneer 10, tàu du hành đầu tiên có khả năng rời khỏi Hệ Mặt Trời. Vài năm sau, họ đã thành công trong việc xây dựng hai tàu du hành Voyager 1 và 2, là những trong số những vật thể nhân tạo di chuyển nhanh nhất trong lịch sử. Hiện tại, cả hai tàu đều đang hướng về phía không gian giữa các hệ sao.

Chỉ trong vòng hai thập kỷ, từ khi bước vào Kỷ nguyên Không gian đến lúc hai tàu Voyager được phóng, các chuyên gia thiết kế tên lửa đã kéo dài gấp đôi tốc độ cho các thiết bị du hành. Tuy nhiên, từ đó đến nay, ngành hàng không vũ trụ mới chỉ chứng kiến một tàu ra khỏi Hệ Mặt Trời - đó là tàu New Horizons, được phóng vào năm 2006, ngoài ra chưa có tàu thăm dò hoặc du hành nào đạt được tốc độ cao. Các chuyên gia của JPL không ngừng nỗ lực, quyết tìm ra một bước tiến mới trong công nghệ du hành vũ trụ.

Dù nỗ lực mới có mục tiêu gì, đa số các chuyên gia đều cho rằng phạm vi của 'Hệ Mặt Trời' đã trở nên hạn chế. Đây là thời điểm mà con người cần phải nhìn xa hơn, tới những hành tinh xa hơn và những thiên thể ngoại biên, tiến tới những vì sao xa xôi hơn.

John Brophy, một kỹ sư hàng không vũ trụ tại JPL, đang phát triển một công nghệ động cơ đặc biệt giúp tăng tốc độ du hành vũ trụ thêm 10 lần. Trong khi đó, Leon Alkalai, một kiến trúc sư hàng không vũ trụ khác, đang mơ ước về một chuyến đi vũ trụ đa hệ, bắt đầu từ một cuộc hành trình về phía Mặt Trời. Slava Turyshev, một nhà khoa học khác tại JPL, đang lập kế hoạch cho một hệ thống kính viễn vọng có khả năng quan sát các hành tinh giống Trái Đất một cách chi tiết, mà không cần đến chuyến đi trực tiếp tới chúng.

Tất cả những ý tưởng này đều là các kế hoạch dài hơi, nhưng chỉ cần một trong số chúng thành công, sẽ mở ra nhiều ứng dụng không ngờ. Như nhóm Rocket Boys và hậu duệ của họ đã biến con người thành loài du hành vũ trụ, các nhà nghiên cứu đương đại tại JPL cũng đang cống hiến để làm cho du hành vũ trụ trở nên thực tế hơn bao giờ hết.

John Brophy đã lấy cảm hứng từ dự án Breakthrough Starshot, một dự án được công bố vào năm 2016 bởi cố nhà vật lý lý thuyết Stephen Hawking và tỷ phú người Nga Yuri Miller. Mục tiêu cao cả của dự án này là xây dựng một hệ thống tia laser có công suất lớn, có thể đẩy một tàu du hành nhỏ đến vận tốc gần như ánh sáng.

Mặc dù John Brophy có nghi ngờ về khả năng thành công của dự án Breakthrough Starshot, nhưng công nghệ đứng sau dự án này vẫn làm cho ông tò mò. 'JPL khuyến khích nhân sự của mình mở rộng tư duy ra khỏi giới hạn, khiến những ý tưởng lạ lẫm của tôi trở nên kỳ lạ hơn theo thời gian,' nhà nghiên cứu Brophy chia sẻ. Mặc dù ông cho rằng khả năng thực hiện của dự án Breakthrough Starshot là không thực tế, ông vẫn tự hỏi liệu có thể giảm quy mô của dự án này xuống mức công nghệ cận viễn tưởng để có thể thực hiện được.

Ý tưởng sử dụng tia laser để đẩy tàu du hành đã thúc đẩy nhà nghiên cứu Brophy tìm kiếm giải pháp tương tự, vì nó sẽ giải quyết 'phương trình tên lửa' mà luôn liên quan đến việc duy trì động lượng của một con tàu vũ trụ với lượng nhiên liệu mà nó mang theo. Điều này mở ra một loạt vấn đề phức tạp, với phương trình toán học là rào cản cho mọi hệ thống du hành vũ trụ: bay nhanh hơn đòi hỏi nhiều nhiên liệu hơn, nhưng nhiều nhiên liệu hơn lại tăng khối lượng; khối lượng lớn yêu cầu thêm lực đẩy, tức là thêm nhiên liệu. Vòng lặp này tiếp tục.

Nhiên liệu, yếu tố không thể thiếu trong du hành vũ trụ sử dụng động cơ đốt lại, lại là yếu tố ngăn cản chúng ta đi xa hơn. Một ví dụ là hệ thống tên lửa đưa tàu thăm dò Voyager (có trọng lượng chỉ hơn 800 kg) nặng tới hơn 600 tấn, trong đó nhiên liệu chiếm phần lớn khối lượng.

Kể từ khi tốt nghiệp vào những năm 1970, nhà nghiên cứu Brophy đã dành thời gian nghiên cứu và phát triển một hệ thống hỗ trợ du hành mang tên ion tạo lực đẩy. Động cơ ion sử dụng năng lượng điện để đẩy các ion dương với tốc độ cao. Mỗi ion tạo ra một lực nhỏ, nhưng tổng cộng chúng tạo nên một lực đẩy mạnh mẽ, giúp tàu bay nhanh hơn so với động cơ hóa học thông thường.

Tuy động cơ ion mang lại nhiều ưu điểm, nhưng vẫn tồn tại nhược điểm. Khi bay xa mặt trời, hiệu suất của tấm pin năng lượng giảm đi. Tăng kích thước của pin có thể giải quyết vấn đề này, nhưng cũng dẫn đến việc tăng khối lượng, và vấn đề về nhiên liệu vẫn còn ám ảnh tàu du hành.

Động cơ ion không đủ mạnh để thoát khỏi trọng lực của Trái Đất. Ngay cả trong không gian không có khí quyển, động cơ ion vẫn cần thời gian để đạt tốc độ tối đa. Brophy, với kinh nghiệm thiết kế động cơ ion cho tàu Dawn, đã trải qua những thử thách này. Mặc dù tàu Dawn được trang bị tấm pin năng lượng mặt trời rộng 20 mét, nó vẫn mất 4 ngày để tăng tốc từ 0-100km/h.

Trong quá trình cân nhắc giữa hiệu suất động cơ và nguồn năng lượng mặt trời không đủ mạnh, dự án Breakthrough Starshot ra đời. Đó là lúc Brophy đặt câu hỏi: liệu có thể sử dụng tia laser mạnh hơn thay vì sự yếu đuối của tia sáng từ mặt trời? Với một hệ thống laser mạnh mẽ, động cơ ion có thể hoạt động mạnh mẽ hơn mà không cần phải mang theo tấm pin mặt trời khổng lồ.

Brophy đã thành công trong việc lắp ráp một mẫu thử động cơ ion hiệu suất cao trong phòng thí nghiệm của mình. Sử dụng ion lithium nhẹ hơn so với xenon, được sử dụng trên tàu Dawn, thiết bị mới này cần ít năng lượng hơn để tạo ra lực đẩy mạnh mẽ và tăng tốc tàu du hành.

Động cơ mới sẽ hoạt động ở điện thế 6.000 volt, gấp 6 lần mức hoạt động của tàu Dawn trong quá khứ. 'Hiệu suất của thiết bị này sẽ thực sự là một điều kỳ diệu, nếu như có một hệ thống laser mạnh mẽ để hỗ trợ,' Brophy nói.

Tuy nhiên, máy phát laser đó vẫn chưa được tạo ra. Dù đã cần giảm quy mô của dự án Starshot nhiều lần, Brophy vẫn ấp ủ một hệ thống laser vũ trụ với công suất lên tới 100 megawatt, sản sinh năng lượng gấp 100 lần so với Trạm Vũ trụ Quốc tế (ISS), và phải chính xác nhắm vào tàu du hành đang di chuyển với vận tốc cao.

'Chúng tôi không biết phải làm thế nào để thực hiện điều đó', ông Brophy thừa nhận. Nếu thành công, đây sẽ là dự án kỹ thuật ngoài hành tinh phức tạp nhất từng được thực hiện. Nhưng khi thành công, dàn laser mạnh mẽ sẽ được tái sử dụng nhiều lần cho nhiều nhiệm vụ, có thể coi là một hệ thống đa nhiệm hỗ trợ đẩy tàu du hành.

Ví dụ, ông Brophy mô tả một tàu chạy bằng pin lithium-ion có sải cánh 90 mét trải đầy tấm quang điện, cung cấp năng lượng cho động cơ ion phản lực mà ông đang phát triển tại JPL. Tia laser sẽ chiếu sáng các tấm pin mặt trời với cường độ hàng trăm lần so với ánh sáng Mặt Trời; giúp một động cơ ion bay từ Trái Đất tới Sao Diêm Vương, một quãng đường khoảng 5 tỷ km. Với gia tốc mạnh, tàu có thể bay thêm khoảng 5 tỷ km nữa sau 1-2 năm đến Sao Diêm Vương.

Với tốc độ này, một tàu du hành có thể khám phá nhanh chóng khu vực mơ hồ nơi các sao chổi xuất phát, hoặc bắt đầu nghiên cứu các hành tinh thứ chín mới chỉ tồn tại trên giả thuyết. Nói một cách ngắn gọn, dàn laser sẽ giúp con người tiếp cận hầu hết các góc khuất của Hệ Mặt Trời.

'Như là đang có một cái búa mới, tôi sẽ đi chạy tìm bất kỳ cái đinh nào có thể đóng được', ông Brophy mơ mộng nghĩ về tương lai tươi sáng. 'Chúng tôi có một danh sách dài những nhiệm vụ bạn có thể thực hiện nếu có thể bay nhanh như thế'.

Tại JPL, một tư duy khác cũng nhận ra tiềm năng từ hệ thống laser 'tưởng tượng' của Breakthrough Starshot. Ông Alkalai, người định hình hướng phát triển cho các nhiệm vụ mới của Ban Kỹ thuật và Khoa học tại JPL, cũng có cái nhìn xa lạc của một người đam mê chân trời mới. Ông tin rằng dự án Starshot đang đi đúng hướng, nhưng đang quá vội vàng.

'Chúng ta vẫn còn xa thời điểm có đủ công nghệ để thiết kế một nhiệm vụ bay đến vì sao khác. Chúng ta cần bắt đầu từ những bước nhỏ', ông nói.

Ông đã tưởng tượng cách để bắt đầu. Mặc dù chưa thể thăm vì sao khác, chúng ta vẫn có thể gửi tàu thăm dò để lấy mẫu từ không gian liên sao, những khí thừa và bụi vũ trụ nằm giữa các vì sao.

'Tôi rất quan tâm đến việc khám phá vật chất bên ngoài Hệ Mặt Trời. Thực ra, chúng ta bắt nguồn từ đó. Cuộc sống bắt nguồn từ những đám mây bụi cổ điển', ông Alkalai nói. 'Chúng ta biết bên trong chúng chứa chất hữu cơ, nhưng chúng thuộc loại gì? Mật độ là bao nhiêu? Có nước không? Đó là những kiến thức lớn mà chúng ta cần tìm hiểu'.

Khu vực trung gian giữa các ngôi sao vẫn là một bí ẩn, vì chúng ta chưa thể khám phá. Các luồng gió mặt trời, được tạo ra từ ngôi sao trung tâm của Hệ Mặt Trời, đẩy các vật chất ra xa. Nếu chúng ta đến được vùng không gian ngoài tầm ảnh hưởng của Mặt Trời, lần đầu tiên chúng ta sẽ thu thập được mẫu 'tinh khiết' của Dải Ngân hà.

Ông Alkalai mong muốn được chứng kiến mẫu vật quý giá. Ông đã vượt qua tuổi 60, không thể mong đợi dự án Breakthrough Starshot với dàn laser khổng lồ. Thay vào đó, ông đề xuất một công nghệ đơn giản hơn, tuy chưa được kiểm chứng nhưng vẫn được gọi là tên lửa nhiệt mặt trời.

'Rất khó, nhưng chúng tôi đã bắt đầu xây dựng mô hình các yếu tố vật lý liên quan', ông Alkalai nói. Nhà nghiên cứu hy vọng có thể thử nghiệm một số phần của hệ thống tên lửa nhiệt sớm, và biến các thiết kế thành một sứ mệnh hoàn chỉnh trong thập kỷ tới. Khoảng 10 năm sau khi phóng tàu, nó sẽ đến vùng không gian liên sao.

Ngoài việc thu thập mẫu từ thiên hà, tàu sẽ ghi lại ảnh hưởng của Mặt Trời đến vùng không xa xôi, nghiên cứu cấu trúc bụi trong Thái Dương Hệ. Một chuyến đi suôn sẻ sẽ giúp tàu ghé thăm một hành tinh nào đó.

Ông Alkalai gọi đây là một chuyến đi 'không giống bất kỳ dự án nào chúng tôi đã thực hiện trong quá khứ'.

Các ý tưởng về tên lửa nhiệt mặt trời hoặc động cơ laser-ion rất ấn tượng, nhưng vẫn chỉ là trong phạm vi tưởng tượng. Khoảng cách giữa Hệ Mặt Trời và không gian liên sao vẫn rất xa vời với công nghệ hiện đại. Điều này không làm nhà nghiên cứu Turyshev nản lòng, khi ông đang lên kế hoạch cho một nhiệm vụ 'ảo' giúp chúng ta tiến tới vì sao khác.

Ông đang phát triển một dự án kính viễn vọng dựa trên ý tưởng về 'phân phối của lực hấp dẫn mặt trời - the solar gravitational lens (SGL)'.

Kính viễn vọng được đặt ở vị trí thích hợp để tận dụng SGL sẽ quan sát được hiện tượng đẹp mê hồn. Khi nhìn về phía Mặt Trời, kính sẽ thấy ánh sáng từ các vật thể phía sau bị kéo dài, tạo ra một vòng sáng xung quanh Mặt Trời, được gọi là Vòng Einstein.

Theo ông Turyshev, một kính viễn vọng sử dụng SGL có thể tái tạo hình ảnh các đối tượng xa xôi trên Vòng Einstein với độ phân giải cao, nhưng không thể là những ngôi sao, hành tinh khác trong hệ sao, hoặc các thiên hà khác.

Trên lý thuyết, một bức ảnh có độ phân giải 1000×1000 pixel có thể rõ ràng đến như vậy. Nó có thể chứa đựng dữ liệu về một vật thể có đường kính 15km nằm cách kính viễn vọng 100 năm ánh sáng.

Sứ mệnh sẽ yêu cầu một thiết bị có kích cỡ tương tự như Kính viễn vọng Hubble và sẽ kéo dài khoảng 17 năm, với sự hỗ trợ của một hệ thống trí tuệ nhân tạo dẫn đường.

Đặc biệt, họ sẽ cần một mục tiêu nghiên cứu - một hành tinh đủ đáng để tiêu tốn hàng tỷ USD và hàng chục năm nghiên cứu phát triển. NASA đang tìm kiếm một hành tinh ngoại hành có kích cỡ tương tự Trái Đất có khả năng hỗ trợ sự sống.

'Cuối cùng, để khám phá sự sống trên các hành tinh ngoại hành, chúng ta cần phải đến thăm chúng. Tuy nhiên, một sứ mệnh quan sát sẽ giúp chúng ta nghiên cứu các điểm đến tiềm năng sớm hơn, có thể trước cả nhiều thập kỷ, thậm chí nhiều thế kỷ', ông Turyshev đề xuất.

Hành trình thú vị này sẽ đặt ra nhiều thách thức hơn cho con người, vượt qua cả thành công của động cơ ion và 'ná cao su Mặt Trời'. Mặc dù đích đến rất xa, nhưng ít nhất chúng ta đã học được nhiều từ việc phát triển kính viễn vọng trong không gian lạnh lẽo.

Các thành tựu sắp được công bố bởi đội ngũ phát triển Kính viễn vọng Không gian James Webb sẽ thúc đẩy dự án của ông Turyshev và mở ra những hướng nghiên cứu mới có thể thực hiện được. Đúng như câu 'Thấu hiểu từ trải nghiệm', khi có thể nhìn thấy và đo đạc chính xác, sẽ dẫn đến sự hiểu biết sâu sắc hơn.

Tham khảo từ Discover Mag