Báo cáo mới về nghiên cứu: Với công nghệ du hành vũ trụ và vật liệu hiện đại, chúng ta đã phát triển thang máy không gian

Thay vì một hệ thống thang máy từ mặt đất lên, hai nhà khoa học muốn treo thang máy từ Mặt Trăng xuống.

Chướng ngại lớn nhất trong việc tiếp cận vũ trụ là lực hấp dẫn của Trái Đất. Đây là vấn đề đầu tiên cần giải quyết nếu muốn tạo ra một con tàu vũ trụ. Để vượt qua lực hút này, tàu sẽ cần một lượng lớn lực đẩy để nâng khối lượng của tàu, hàng hóa, và nhiên liệu cần thiết để vào quỹ đạo.

Chi phí đưa vật liệu vào quỹ đạo thường rất cao. Vì vậy, giới khoa học vẫn cố gắng giảm thiểu chi phí du hành không gian. Một cách để làm điều này là thông qua hệ thống thang máy không gian, cho phép con người leo lên vũ trụ như lên tầng cao của một trung tâm mua sắm.

Thang máy không gian có thể vận hành bằng năng lượng Mặt Trời, giảm thiểu sử dụng nhiên liệu đắt đỏ.

Tuy nhiên, vấn đề lớn đối diện là việc tạo ra sợi cáp đủ chắc chắn để giữ thang máy không gian. Ông có thể suy nghĩ đến ống nano cacbon, một vật liệu có thể giải quyết vấn đề này.

Và đây chính là lý do tại sao cộng đồng khoa học hôm nay rộn ràng khi Penoyre và Sandford giới thiệu ý tưởng mới, một hệ thống thang máy không gian sử dụng các vật liệu hiện đại.

Thang máy không gian - Phương tiện phi thường như thế nào?

Đúng như tên gọi, thang máy không gian sẽ đưa con người lên quỹ đạo một cách dễ dàng, từ bỏ quả tên lửa rủi ro và phức tạp! Hệ thống này sẽ sử dụng một sợi cáp cố định, một đầu gắn chặt xuống đất, vươn cao hơn quỹ đạo địa tĩnh.

Sợi cáp lớn sẽ cần một đối trọng đủ lớn để giữ cho nó thẳng đứng. Khi có hai điểm cố định, hệ thống sẽ đứng thẳng bằng lực ly tâm của Trái Đất khi quay. 

Một hệ thống thang máy không gian gồm 4 phần chính:

- Móng cố định cáp trên mặt đất.

- Đường cáp kéo dài từ mặt đất lên quỹ đạo.

- Đối trọng để giữ cáp căng, có thể là một trạm vũ trụ luôn.

- Phương tiện chứa hành khách/hàng hóa để đưa họ/chúng lên quỹ đạo.

Trong nhiều năm, các nhà khoa học và nhà văn viết về tương lai đã cố gắng tính toán lực cần thiết cho một hệ thống thang máy không gian, nhưng kết quả luôn khiến họ bất mãn. Lực quá lớn, không có vật liệu nào có thể chịu đựng; mọi thứ từ sợi tơ nhện đến kevlar đều không đủ mạnh mẽ.

Penoyre và Sandford có ý tưởng mới: đặt đầu cáp trên Mặt Trăng, sau đó treo cái thang xuống Trái Đất. Sự khác biệt lớn nằm ở lực ly tâm. Thang máy với móng trên Trái Đất cần quay mỗi ngày, nhưng với móng trên Mặt Trăng, nó cần một tháng.

Đặt móng trên Mặt Trăng sẽ tạo ra phân bố lực khác biệt. Thang máy sẽ đi qua điểm Lagrange, một vị trí nơi lực hấp dẫn của Trái Đất và Mặt Trăng sẽ loại trừ nhau. Đây chính là yếu tố quan trọng của thang máy không gian.

Khu vực này, gọi là điểm Lagrange, là nơi mà lực hấp dẫn của hai vật thể lớn, như Trái Đất và Mặt Trăng, hoặc Mặt Trời và Trái Đất, được cân bằng bởi lực ly tâm của một vật thể nhỏ hơn. Điểm Lagrange là chìa khóa của thang máy không gian.

Dưới điểm này, lực hấp dẫn sẽ kéo cáp về phía Trái Đất, trên điểm này, cáp sẽ bị lực hấp dẫn của Mặt Trăng kéo về.

Penoyre và Sandford nhấn mạnh rằng đường cáp từ Mặt Trăng về Trái Đất cũng tạo ra lực quá lớn, vượt quá khả năng của vật liệu hiện nay. Nhưng cáp không cần tiếp xúc với bề mặt Trái Đất mới làm được thang máy.

Theo báo cáo nghiên cứu, với vật liệu như Zylon, một loại carbon polymer cực kỳ cứng cáp, có thể treo thang máy lên Mặt Trăng và lơ lửng trong quỹ đạo địa tĩnh. Dự kiến, chỉ cần vài tỷ USD để tạo ra một hệ thống thang máy thử nghiệm.

Dự án thang máy không gian không chỉ phức tạp mà còn thú vị. Bằng cách kéo cáp từ Mặt Trăng đến khu vực bị ảnh hưởng bởi lực hấp dẫn của Trái Đất, ta có thể di chuyển dễ dàng từ Trái Đất lên Mặt Trăng.

Chi phí chế tạo thang máy không gian cũng thấp hơn so với công nghệ tên lửa hiện tại. Nó giảm lượng nhiên liệu cần thiết để lên Mặt Trăng xuống còn ⅓ chi phí hiện tại.

Dự án này cũng mở ra một chương mới cho việc khám phá không gian, đặc biệt là điểm Lagrange và lợi ích của nó. Tại đây, cả lực hấp dẫn và gradien lực hấp dẫn đều bằng không, cho phép ta dễ dàng tiến hành xây dựng.

“Nếu bạn đánh rơi một thứ gì từ Trạm Vũ trụ Quốc tế, nó sẽ trôi đi xa bạn mỗi ngày. Điểm Lagrange có gradien lực hấp dẫn nhỏ, khiến đồ vật bay gần bạn hơn nhiều”, báo cáo nghiên cứu nói. Đồng thời, vì chưa được khám phá, nên điểm Lagrange không chứa nhiều rác thải Vũ trụ như những khu vực khác.

Vì những lợi ích này, Penoyre và Sandford tin rằng điểm Lagrange là 'điểm tựa' cho thang máy không gian của họ.

“Chúng tôi tin rằng trạm không gian tại điểm Lagrange là nền móng quan trọng nhất, ảnh hưởng nhất đến tương lai của thang máy không gian (và việc khám phá không gian của nhân loại nói chung)”, hai nhà nghiên cứu nhấn mạnh. “Trạm sẽ là nơi thực hiện các thí nghiệm không gian mới - ta có thể tưởng tượng kính viễn vọng, máy gia tốc hạt, máy phát hiện sóng hấp dẫn, khu vực chứa sinh vật, máy phát điện, hay làm nơi bắt đầu cho các sứ mệnh khám phá Hệ Mặt Trời trong tương lai”.

Thực tế

Dự án thang máy không gian mới tận dụng các yếu tố tự nhiên như điểm Lagrange và Mặt Trăng, giảm chi phí xây dựng nhiều, nhưng cũng đặt ra nhiều thách thức lớn.

- Để thực hiện, ta cần một lượng nguyên vật liệu lớn để làm cáp dài đến như vậy, cùng với trạm không gian và trạm Mặt Trăng.

- Nói về cáp: cáp cần rất bền để treo thang máy, đủ dẻo để chống lại bức xạ không gian, và đủ cứng để tránh va chạm với các vật thể hoặc rác thải trên quỹ đạo.

- Năng lượng để di chuyển thang máy dọc theo cáp có thể là năng lượng hạt nhân, nhiệt điện, hoặc ánh sáng Mặt Trời.

- Một dây cáp to lớn như thế, nếu … đứt, hậu quả sẽ không thể lường trước được. Chúng ta chỉ có một cơ hội duy nhất, một lần thôi.

Ngày mà chúng ta có thể sử dụng một hệ thống thang máy không gian có lẽ vẫn còn xa vời, nhưng mỗi hành trình đều bắt đầu từ bước chân đầu tiên. Có thể chính báo cáo khoa học này là bước ngoặt lịch sử mà nhân loại đang mong chờ.