Một Rắn Hỏa Chạy Bằng Năng Lượng Mặt Trời Có Thể Là Vé Đi Của Chúng Ta Đến Không Gian Liên Sao

Nếu Jason Benkoski đúng, con đường tới không gian liên sao bắt đầu từ một container hàng được giấu sau một phòng thí nghiệm tại Maryland. Cảnh tượng này giống như đến từ một bộ phim khoa học viễn tưởng kinh phí thấp: Một bức tường của container được trải đèn LED, một kết cấu kim loại không lường trước chạy dọc theo trung tâm và một bức rèm màu đen dày chỉ che khuất thiết bị. Đây là bộ mô phỏng mặt trời của Viện Vật lý Ứng dụng Đại học Johns Hopkins, một công cụ có thể sáng với cường độ tương đương với 20 mặt trời. Vào chiều thứ Năm, Benkoski lắp một viên gạch đen và trắng nhỏ lên kết cấu và kéo rèm màu đen xung quanh trước khi bước ra khỏi container hàng. Sau đó, anh bật công tắc đèn.

Khi máy mô phỏng mặt trời nóng chảy, Benkoski bắt đầu bơm helium lỏng qua một ống nhỏ được đặt qua bàn là. Helium hấp thụ nhiệt từ đèn LED khi nó đi qua kênh và mở rộng cho đến khi cuối cùng nó được phát ra qua một ống phun nhỏ. Có thể nghe có vẻ không quan trọng lắm, nhưng Benkoski và đội ngũ của anh vừa thực hiện động cơ đẩy nhiệt mặt trời, một loại động cơ tên lửa trước đây chỉ là lý thuyết được nạp bằng nhiệt độ của mặt trời. Họ nghĩ rằng đây có thể là chìa khóa cho việc khám phá liên sao.

“Điều này thực sự dễ bị một ai đó bác bỏ ý tưởng và nói, ‘Trên mặt sau của một phong bì, nó trông tuyệt vời, nhưng nếu bạn thực sự xây dựng nó, bạn sẽ không bao giờ đạt được những con số lý thuyết đó,’” Benkoski, một nhà khoa học vật liệu tại Viện Vật lý Ứng dụng và người lãnh đạo đội ngũ làm việc trên hệ thống đẩy nhiệt mặt trời, nói. “Điều mà điều này đang chứng minh là động cơ đẩy nhiệt mặt trời không chỉ là một ảo tưởng. Nó thực sự có thể hoạt động.”

Chỉ có hai tàu vũ trụ, Voyager 1 và Voyager 2, đã rời khỏi hệ mặt trời của chúng ta. Nhưng đó là một phần thưởng khoa học sau khi chúng hoàn thành nhiệm vụ chính của mình để khám phá sao Mộc và sao Thổ. Không có tàu vũ trụ nào được trang bị đúng các công cụ để nghiên cứu ranh giới giữa lãnh thổ hành tinh của ngôi sao chúng ta và phần còn lại của vũ trụ. Ngoài ra, cặp sinh đôi Voyager là chậm. Di chuyển với vận tốc 30,000 dặm mỗi giờ, mất gần một nửa thế kỷ để thoát khỏi ảnh hưởng của mặt trời.

Nhưng dữ liệu họ gửi từ biên giới làm ta kích thích. Nó cho thấy rằng nhiều điều mà các nhà vật lý đã dự đoán về môi trường ở biên giới của hệ mặt trời là sai. Không ngạc nhiên, một nhóm lớn các nhà thiên văn học, vũ trụ học và nhà khoa học hành tinh đang thèm khát một tàu thăm dò liên sao được dành riêng để khám phá ranh giới mới này.

Năm 2019, NASA chọn Viện Vật lý Ứng dụng để nghiên cứu các khái niệm cho một nhiệm vụ liên sao dành riêng. Vào cuối năm sau, đội ngũ sẽ nộp nghiên cứu của mình cho cuộc khảo sát thập kỷ Vật lý Mặt trời của Học viện Quốc gia Khoa học, Kỹ thuật và Y học, quyết định ưu tiên nghiên cứu về Mặt trời trong vòng 10 năm tới. Các nhà nghiên cứu của APL đang nghiên cứu về mọi khía cạnh của nhiệm vụ, từ ước tính chi phí đến các công cụ đo lường. Nhưng việc chỉ đơn giản là tìm cách đến không gian liên sao trong một khoảng thời gian hợp lý nhất là phần lớn và quan trọng nhất của câu đố.

Biên giới của hệ mặt trời - được gọi là heliopause - rất xa. Đến khi một tàu vũ trụ đến Pluto, nó chỉ là một phần ba cách đến không gian liên sao. Và đội ngũ APL đang nghiên cứu một chiếc thăm dò sẽ đi xa gấp ba lần so với biên giới của hệ mặt trời, một hành trình 50 tỷ dặm, trong khoảng nửa thời gian mà tàu vũ trụ Voyager mất để chỉ đến biên giới. Để thực hiện nhiệm vụ kiểu này, họ sẽ cần một chiếc thăm dò không giống bất kỳ thứ gì từng được xây dựng. “Chúng tôi muốn tạo ra một tàu vũ trụ sẽ di chuyển nhanh hơn, xa hơn và tiến gần Mặt trời hơn bất cứ điều gì từng làm,” Benkoski nói. “Nó giống như điều khó khăn nhất bạn có thể tưởng tượng.”

Vào giữa tháng 11, các nhà nghiên cứu của Dự án Thăm dò Liên sao gặp nhau trực tuyến trong một hội nghị kéo dài một tuần để chia sẻ thông tin cập nhật khi nghiên cứu bước vào năm cuối cùng. Tại hội nghị, các đội ngũ từ APL và NASA chia sẻ kết quả công việc của họ về động cơ đẩy nhiệt mặt trời, mà họ tin là cách nhanh nhất để đưa một thám hiểm vào không gian liên sao. Ý tưởng là cung cấp năng lượng cho động cơ tên lửa bằng nhiệt từ mặt trời, thay vì sự đốt cháy. Theo tính toán của Benkoski, động cơ này sẽ hiệu quả khoảng ba lần so với những động cơ hóa học thông thường tốt nhất hiện nay. “Tính từ góc độ vật lý, đối với tôi, khó có thể tưởng tượng điều gì đó có thể vượt qua động cơ đẩy nhiệt mặt trời về hiệu suất,” Benkoski nói. “Nhưng liệu bạn có thể giữ cho nó không phát nổ không?”

Khác với động cơ thông thường được lắp đặt ở phần đuôi của một tên lửa, động cơ nhiệt mặt trời mà các nhà nghiên cứu đang nghiên cứu sẽ được tích hợp với tấm chắn của tàu vũ trụ. Vỏ phẳng cứng được làm từ một loại bọt than chìm có một mặt phủ một vật liệu phản xạ màu trắng. Bên ngoài, nó sẽ trông rất giống như tấm chắn nhiệt trên Tàu thăm dò Mặt Trời Parker. Sự khác biệt quan trọng là đường ống vòng quanh bề mặt. Nếu thám hiểm liên sao tiếp xúc gần với mặt trời và đẩy hydrogen vào hệ thống mạch máu của nó, hydrogen sẽ mở rộng và phát nổ từ một ống dẫn ở cuối ống. Tấm chắn nhiệt sẽ tạo ra động lực đẩy.

Điều này đơn giản về lý thuyết, nhưng cực kỳ khó khăn trong thực tế. Một tên lửa nhiệt mặt trời chỉ có hiệu quả nếu nó có thể thực hiện một động thái Oberth, một kỹ thuật cơ học quỹ đạo biến đổi mà biến mặt trời thành một cung búa khổng lồ. Trọng lực của mặt trời hoạt động như một nhân tử lực giúp tăng tốc độ của tàu vũ trụ nếu một tàu vũ trụ bật động cơ của nó khi nó quay quanh ngôi sao. Càng gần mặt trời một tàu vũ trụ đến trong một động thái Oberth, nó sẽ đi nhanh hơn. Trong thiết kế nhiệm vụ của APL, thám hiểm liên sao sẽ đi qua chỉ một triệu dặm từ bề mặt nổi loạn của nó.

Để so sánh, vào thời điểm Tàu thăm dò Mặt Trời Parker của NASA đến gần nhất vào năm 2025, nó sẽ nằm trong khoảng 4 triệu dặm từ bề mặt mặt trời và di chuyển với vận tốc gần 430,000 dặm mỗi giờ. Đó là khoảng gấp đôi tốc độ mà thám hiểm liên sao nhắm đến và Tàu thăm dò Mặt Trời Parker tích tụ tốc độ bằng cách sử dụng sức hỗ trợ từ mặt trời và sao Kim trong suốt bảy năm. Thám hiểm liên sao sẽ phải tăng tốc từ khoảng 30,000 dặm mỗi giờ lên khoảng 200,000 dặm mỗi giờ trong một lần chạy xung quanh mặt trời, điều này có nghĩa là phải tiếp cận gần với ngôi sao. Rất gần.

Gần gũi với một vụ nổ nhiệt hạch toàn cầu kích thước của mặt trời tạo ra nhiều thách thức về vật liệu, theo Dean Cheikh, một chuyên gia vật liệu tại NASA’s Jet Propulsion Laboratory, người đã trình bày một nghiên cứu trường hợp về động cơ tên lửa nhiệt mặt trời trong hội nghị gần đây. Đối với nhiệm vụ của APL, tàu thăm dò sẽ trải qua khoảng hai giờ rưỡi ở nhiệt độ khoảng 4.500 độ Fahrenheit khi hoàn thành động thái Oberth. Điều này đủ nóng để làm tan chảy tấm chắn nhiệt của Tàu thăm dò Mặt Trời Parker, vì vậy đội ngũ của Cheikh tại NASA đã tìm ra các vật liệu mới có thể phủ ở bên ngoài để phản xạ năng lượng nhiệt. Kết hợp với tác động làm mát của hydro chảy qua các kênh trong tấm chắn nhiệt, những lớp phủ này sẽ giữ cho tàu thăm dò liên sao mát mẻ trong khi vượt qua mặt trời. “Bạn muốn tối đa hóa lượng năng lượng bạn đang đẩy lại,” Cheikh nói. “Ngay cả những sự khác biệt nhỏ về khả năng phản xạ của vật liệu sẽ khiến tàu vũ trụ của bạn nóng lên đáng kể.”

Một vấn đề lớn hơn là làm thế nào để xử lý hydro nóng chảy qua các kênh. Ở nhiệt độ cực kỳ cao, hydro sẽ ăn ngay vào lõi carbon của tấm chắn nhiệt, điều này có nghĩa là bên trong các kênh sẽ phải được phủ một lớp vật liệu mạnh mẽ hơn. Đội đã xác định một số vật liệu có thể thực hiện công việc này, nhưng không có nhiều dữ liệu về hiệu suất của chúng, đặc biệt là ở nhiệt độ cực kỳ cao. “Không có nhiều vật liệu có thể đáp ứng những yêu cầu này,” Cheikh nói. “Một số khía cạnh đó tốt, vì chúng ta chỉ cần xem xét những vật liệu này. Nhưng nó cũng là điều xấu vì chúng ta không có nhiều lựa chọn.”

Thông điệp quan trọng nhất từ nghiên cứu của ông, theo Cheikh, là cần phải thực hiện nhiều thử nghiệm trên vật liệu của tấm chắn nhiệt trước khi một tên lửa nhiệt mặt trời được gửi xung quanh mặt trời. Nhưng đó không phải là điều không thể. Trên thực tế, sự tiến bộ đáng kể trong khoa học vật liệu khiến ý tưởng này cuối cùng trở nên khả thi hơn 60 năm sau khi nó được những kỹ sư trong Không quân Hoa Kỳ đưa ra lần đầu tiên. “Tôi nghĩ rằng tôi đã nảy ra ý tưởng tuyệt vời này độc lập, nhưng mọi người đã nói về nó từ năm 1956,” Benkoski nói. “Chế tác thêm là một yếu tố chính của điều này, và chúng ta không thể làm điều đó cách đây 20 năm. Bây giờ tôi có thể in 3D kim loại trong phòng thí nghiệm.”

Ngay cả khi Benkoski không phải là người đầu tiên đưa ra ý tưởng về động cơ đẩy nhiệt mặt trời, ông tin rằng mình là người đầu tiên thực hiện một động cơ nguyên mẫu. Trong những thử nghiệm của mình với tấm gạch có kênh trong container vận chuyển, Benkoski và đội của ông đã cho thấy có thể tạo ra động lực đẩy bằng cách sử dụng ánh sáng mặt trời để làm nóng khí khi nó đi qua các ống nhúng trong tấm chắn nhiệt. Những thử nghiệm này có một số hạn chế. Chúng không sử dụng cùng các vật liệu hoặc chất đẩy sẽ được sử dụng trong một nhiệm vụ thực tế, và các thử nghiệm diễn ra ở nhiệt độ thấp hơn rất nhiều so với những gì mà một thám hiểm liên sao sẽ trải qua. Nhưng điều quan trọng, theo Benkoski, là dữ liệu từ các thử nghiệm nhiệt độ thấp phù hợp với các mô hình dự đoán cách một thám hiểm liên sao sẽ thực hiện trên nhiệm vụ thực tế của mình khi điều chỉnh được thực hiện cho các vật liệu khác nhau. “Chúng tôi đã thực hiện nó trên một hệ thống mà thực sự sẽ không bao giờ bay. Và bây giờ bước thứ hai là chúng ta bắt đầu thay thế từng thành phần trong những thứ bạn sẽ đặt vào một tàu vũ trụ thực sự để thực hiện một động thái Oberth,” Benkoski nói.

Ý tưởng còn một quãng đường dài trước khi nó có thể sẵn sàng để sử dụng trong một nhiệm vụ—với chỉ một năm còn lại trong nghiên cứu Vũ trụ Liên sao, không đủ thời gian để phóng một vệ tinh nhỏ để thực hiện thử nghiệm trong quỹ đạo Trái Đất thấp. Nhưng vào thời điểm Benkoski và đồng nghiệp tại APL nộp báo cáo của họ vào năm sau, họ sẽ tạo ra một lượng dữ liệu lớn tạo nền cho các thử nghiệm trong không gian. Không có đảm bảo rằng Học viện Quốc gia sẽ chọn khái niệm tàu thăm dò liên sao làm ưu tiên hàng đầu cho thập kỷ sắp tới. Nhưng bất cứ khi nào chúng ta sẵn sàng rời xa ánh sáng Mặt Trời, có khả năng lớn chúng ta sẽ phải sử dụng nó để có một sức đẩy trên đường ra khỏi cửa.

Những điều Tuyệt vời khác từ MYTOUR

• 📩 Muốn biết tin mới nhất về công nghệ, khoa học và nhiều hơn nữa? Đăng ký nhận bản tin của chúng tôi!
• Câu chuyện lạ lùng và xoắn ốc về hydroxychloroquine
• Làm thế nào để thoát khỏi một con tàu đắm (như, ví dụ, Titanic)
• Tương lai của McDonald's nằm ở làn đường drive-thru
• Tại sao việc sử dụng sạc nào cho điện thoại của bạn cũng quan trọng
• Kết quả vắc xin Covid mới nhất, được giải mã
• 🎮 MYTOUR Games: Nhận những mẹo, đánh giá và nhiều hơn nữa
• 💻 Nâng cấp trò chơi làm việc của bạn với laptop, bàn phím, lựa chọn đánh máy và tai nghe chống ồn mà đội Gear yêu thích