Không phải là khoa học viễn tưởng—NASA đang tài trợ những Dự án Đỉnh não này

Mike LaPointe đang có công việc đáng ghen tị khi phải tìm cách đưa thám hiểm vũ trụ đến tương lai như trong các tác phẩm khoa học viễn tưởng.

Anh và đồng nghiệp của mình tài trợ các dự án có rủi ro cao nhưng có thưởng lớn như một phần của chương trình NASA Innovative Advanced Concepts, hay NIAC, mà tuần trước đã công bố kinh phí cho 14 nhóm nghiên cứu khám phá những ý tưởng khó tin. Nhiều ý tưởng này có lẽ sẽ không thành công. Nhưng một số, có thể là đường ống nạp oxy trên mặt trăng hay gương kính telescop không gian được xây dựng trực tiếp trong không gian, có thể trở thành những thay đổi lớn.

“Chúng tôi đang xem xét mọi thứ từ các ý tưởng chưa chắc chắn trên tờ rơi cho đến những thứ được hình dung nhưng chưa được phát triển,” LaPointe nói. “Đây là những điều nhìn xa trước 20 đến 30 năm để xem làm thế nào chúng ta có thể cải thiện đáng kể hoặc tạo điều kiện cho các loại nhiệm vụ mới của NASA.” Ví dụ, trong khi việc nâng cao hiệu suất động cơ tên lửa hóa học một cách nhỏ có thể là đáng khen, nhưng đó không phải là đủ xa cho chương trình này. Một đề xuất cho một hệ thống hoàn toàn mới có thể thay thế tên lửa hóa học sẽ phù hợp ngay.

Hàng năm, NASA trao những học bổng này, chủ yếu cho các nhà nghiên cứu đại học ở Hoa Kỳ. Dòng kinh phí mới này dành cho các dự án giai đoạn 1, mỗi dự án nhận 175,000 đô la để thực hiện một nghiên cứu kéo dài chín tháng mà các nhà nghiên cứu sẽ sử dụng để trình bày kế hoạch chi tiết hơn, thực hiện thử nghiệm và thiết kế mô hình nguyên mẫu. Một số ít triển vọng sẽ chuyển sang Giai đoạn 2 và nhận 600,000 đô la để thực hiện một nghiên cứu kéo dài hai năm. Sau đó, NASA sẽ trao giải $2 triệu cho một dự án xuất sắc để tài trợ một nghiên cứu Giai đoạn 3 kéo dài hai năm.

Một số đối thủ có thể cuối cùng sẽ tìm được chỗ ở tại NASA hoặc với một đối tác thương mại; những dự án khác có thể ảnh hưởng gián tiếp đến thám hiểm vũ trụ bằng cách mở đường cho các công nghệ phát triển. Ví dụ, ăng-ten không gian bơi nổi của startup Freefall Aerospace bắt đầu như một dự án NIAC. Một đề xuất NIAC về một máy bay trực thăng trên hành tinh đỏ đã truyền cảm hứng cho chiếc trực thăng Hỏa của NASA, tên là Ingenuity.

Một trong những người chiến thắng của năm nay là đề xuất thiết kế một môi trường sống được lắp ráp từ vật liệu xây dựng được tạo ra trên sao Hỏa—chất liệu được tạo ra bởi nấm và vi khuẩn. Việc gửi những thứ lớn, nặng, như một cấu trúc nhà, lên không gian rất khó khăn. Chi phí phóng là không thể chấp nhận được và bạn phải đặt nó lên đỉnh một tên lửa và hạ cánh trên Hỏa. Nhưng dự án này, do kỹ sư cơ khí và vật liệu Congrui Jin và đồng nghiệp tại Đại học Nebraska phát triển, khám phá ý tưởng về các khối xây dựng tự phát triển.

Những nấm hoặc vi khuẩn này bắt đầu nhỏ, nhưng chúng dần dần phát triển các sợi và nhánh để lấp đầy không gian xung quanh. “Chúng tôi gọi chúng là vật liệu tự làm lành,” Jin nói, nhóm nghiên cứu của cô đã sử dụng chúng để tạo ra các khoáng vật và polyme sinh học để lấp đầy những kẽ hở trong bê tông. “Chúng tôi muốn đưa nó một bước xa hơn để phát triển các vật liệu tự phát triển.”

Trong một bể lên men trên sao Hỏa, những vật liệu như vậy sẽ phát triển thành những viên gạch chắc chắn. Quá trình này sẽ tốn kém trên Trái Đất, nhưng vì Hành Tinh Đỏ thiếu bê tông và công nhân xây dựng, nó có thể hợp lý hơn ở đó. Trong suốt nghiên cứu NIAC của mình, Jin dự định xác định liệu quá trình phát triển có thể được tăng tốc từ vài tháng xuống còn vài ngày, và vật liệu có thể sống được bao lâu trong môi trường khắc nghiệt của sao Hỏa.

Đây không phải là lần đầu tiên NIAC tài trợ một thí nghiệm nhằm sử dụng nấm để phát triển cấu trúc trong không gian—dự án “kiến trúc nấm” khác là một trong những người chiến thắng của năm ngoái. Nhưng dự án của đội này sẽ tập trung vào việc sử dụng một khía cạnh khác của nấm: khoáng chất mà nó tạo ra trong một số điều kiện nhất định, như canxi cacbonat, thay vì các sợi giống rễ được gọi là mycelia.

Một người chiến thắng NIAC khác đề xuất thiết kế một đường ống khổng lồ dựa trên mặt trăng có thể cung cấp oxy cần thiết cho phi hành gia trên một căn cứ mặt trăng trong tương lai. Nhờ vào chương trình Artemis của NASA, phi hành gia sẽ đến càng sớm càng tốt vào năm 2026. Các chuyến đi dài hạn trong tương lai sẽ yêu cầu nguồn cung oxy kéo dài từ vài tuần đến vài tháng—và có thể để sử dụng làm nhiên liệu cho tên lửa. Mang theo các bình oxy lên không gian cũng khó khăn như việc phóng vật liệu xây dựng, nhưng sản xuất khí trên mặt trăng có thể là một lựa chọn tốt hơn. Oxy có sẵn như là một sản phẩm phụ của khai thác băng nước bằng quá trình điện phân.

Tuy nhiên, có một vấn đề về logistics: Một hoạt động khai thác mặt trăng có thể không ngay tại khu trại. Băng nước mặt trăng nằm nhiều trong các hố bóng tối vĩnh cửu, nhưng đó cũng là những nơi lạnh nhất trên mặt trăng, và có thể khó khăn khi giao tiếp đến và từ chúng. Một lựa chọn là tạo ra oxy tại một địa điểm hố và vận chuyển nó trở lại trạm bằng một xe chuyển động tự động, như Peter Curreri, một nhà khoa học cựu NASA và cộng sự sáng lập và giám đốc khoa học của công ty Lunar Resources, chỉ ra, “việc sản xuất oxy tại một nơi và di chuyển nó, sử dụng bình chứa nén hoặc dewar với robot, rất tốn kém và không thuận tiện.”

Đề xuất của đội anh là tìm cách xây dựng một đường ống dài 5 km kết nối hai khu vực. Nó sẽ được xây dựng từng đoạn bởi robot, sử dụng các kim loại như nhôm chiết tách từ đất đá mặt trăng. Các đoạn sẽ được hàn lại với nhau, và ống sẽ chạy trong một rãnh hoặc trên một chân đỡ—không khác gì ống dẫn dầu trên Trái Đất. Nó sẽ cho phép lưu lượng oxy là 2 kg mỗi giờ, đủ cho nhu cầu của các phi hành gia tương lai của NASA. Curreri và đồng nghiệp của ông đang tiến hành một nghiên cứu khả thi, xem xét các chi phí tiềm năng, kiến trúc tốt nhất cho ống, và liệu có thể sửa chữa được bằng xe chuyển động tự động hay không.

Một số người chiến thắng giải khác có tính thiên văn cao hơn. Ví dụ, Edward Balaban, một nhà khoa học tại Trung tâm Nghiên cứu Ames của NASA tại California, đang nghiên cứu việc sử dụng trọng lực gần bằng không của không gian để tạo hình chất lỏng cho gương hoặc ống kính của các kính viễn vọng không gian khổng lồ. Chúng sẽ mạnh mẽ hơn so với gương kính viễn vọng hiện tại, thường được làm từ một loại kính đặc biệt và dễ bị tổn thương bởi va chạm với micrometeoroids và rung lắc trong quá trình phóng. Đường kính của một gương cũng xác định cách xa một kính viễn vọng có thể phân giải một đối tượng trong không gian sâu, nhưng ngày nay điều đó bị hạn chế bởi kích thước của tên lửa phóng.

“Gương của Kính viễn vọng không gian James Webb, đường kính 6.5 mét, là một kỳ công kỹ thuật. Đã mất rất nhiều sự sáng tạo và rủi ro kỹ thuật để gập nó theo kiểu origami này để vừa vào cái bọc của phương tiện phóng,” Balaban nói—và sau đó cấu trúc tinh tế phải tồn tại qua sức mạnh của quá trình phóng. “Nếu chúng ta cố gắng mở rộng điều đó hơn nữa, nó chỉ trở nên đắt đỏ và phức tạp hơn.”

Thay vào đó, với khái niệm “kính viễn vọng chất lỏng” của mình, chỉ cần phải phóng một khung cấu trúc—như một cái dù hình ô—và một bể chứa chất lỏng gương, như hợp kim galium và chất lỏng ion. Sau khi phóng, chất lỏng sẽ được tiêm vào khung. Trong không gian, những giọt nước sẽ bám lại nhau do sức căng bề mặt, và lực trọng trường phiền hà của Trái Đất sẽ không làm méo mó hình dạng của chúng. Điều này sẽ tạo ra một gương mịn màng đặc biệt mà không cần đến các quy trình cơ khí như mài và làm bóng, được sử dụng cho gương kính truyền thống.

Sử dụng thử nghiệm trên máy bay và trên Trạm Không gian Quốc tế, đội của anh ấy đã học được cách tạo ống kính với nhựa lỏng, và họ xác định rằng thể tích của chất lỏng đặt mức độ phóng đại. Với nguồn tài trợ từ NIAC, họ sẽ chuẩn bị cho bước tiếp theo: thực hiện thử nghiệm với một gương lỏng nhỏ trong không gian vào cuối thập kỷ này. Mục tiêu của họ là cuối cùng thiết kế một gương có kích thước 50 mét, nhưng vì công nghệ này có thể tỷ lệ, Balaban nói rằng bạn có thể sử dụng các nguyên lý vật lý tương tự để thiết kế một gương rộng kilômét. Gương lớn của JWST làm cho nó trở thành một trong những kính viễn vọng nhạy nhất từng được xây dựng, nhưng, theo anh ta lập luận, để tiếp tục đổi mới, có thể cần phải xây dựng gương lớn hơn bằng phương pháp mới này.

Zachary Cordero, một nghiên cứu viên về vũ trụ học tại MIT, dẫn đầu một dự án mới để phát triển một kỹ thuật chế tạo trong không gian gọi là uốn-forming. Nó liên quan đến việc uốn một sợi dây đơn tại các nút và góc cụ thể, sau đó thêm các khớp để tạo ra một cấu trúc cứng. Cordero và đội của anh ta đang làm việc trên một ứng dụng cụ thể: thiết kế một bức phản xạ cho một vệ tinh ở quỹ đạo cao, có thể giám sát bão và mưa bằng cách đo thay đổi độ ẩm trong khí quyển.

Như với một số người chiến thắng khác, đề xuất của anh ta đối mặt với thách thức xây dựng những thứ thực sự lớn trong không gian, mặc dù có các rằng buộc về kích thước và trọng lượng của chuyến du lịch tên lửa. “Với những bức phản xạ thông thường, bạn càng làm cho chúng lớn hơn, bề mặt càng không chính xác, và cuối cùng chúng cơ bản là không thể sử dụng được. Những người đã nói về cách làm cho bức phản xạ có kích thước 100 mét hoặc hàng kilomet trong không gian từ thập kỷ trước,” anh ấy nói. Với quy trình của họ, bạn có thể phóng đủ vật liệu cho một chiếc đĩa có đường kính 100 mét trên một tên lửa duy nhất, anh ấy nói.

Trong số 14 người chiến thắng khác: đề xuất triển khai một chiếc thủy phi cơ bay trên Titan, mặt trăng lớn nhất của Sao Thổ, và một cho một chiếc đinh nhiệt để xâm nhập vào đại dương của hàng xóm của nó, Enceladus, được bao quanh bởi một lớp ngoại vi đặc dày hành vi giống như đá, nhờ vào nhiệt độ dưới điểm đóng băng.

Mặc dù một số dự án này có thể không thành công, chương trình giúp NASA kiểm tra giới hạn của những gì có thể thực hiện được, LaPointe nói: “Nếu một dự án thất bại, nó vẫn hữu ích đối với chúng tôi. Nếu nó hoạt động, nó có thể biến đổi các nhiệm vụ NASA trong tương lai.”