Ba công nghệ mới của NASA có thể hiện thực hóa khả năng du hành liên sao

Từ Phòng thí nghiệm Phản lực Đẩy, những bộ óc kỳ tài đang mang trong mình những suy nghĩ vượt lẽ thường, hy vọng đưa tầm với của con người ra ngoài Hệ Mặt Trời.

Ngày 31 tháng 10 năm 1936, một nhóm sáu học sinh tự xưng là Rocket Boys đã suýt bỏ mạng trong ngọn lửa khi nỗ lực thoát khỏi ảnh hưởng của lực hấp dẫn Trái Đất. Tại chân núi San Gabriel ở California, nhóm bạn táy máy đã thử nghiệm một động cơ phản lực chạy bằng cồn; họ đang muốn chứng minh rằng động cơ tên lửa có thể giúp con người bay vào không gian, ở thời điểm nhân loại còn chưa hoàn toàn tin tưởng vào máy bay dân dụng. Kế hoạch đổ bể, khi ống dẫn oxy bắt lửa và quăng quật lung tung, phun ra những tia lửa chết người.

Suy nghĩ táo bạo của Rocket Boys thu hút sự chú ý của nhà khí động lực học Theodore von Karman, chuyên gia vốn đã từng cộng tác với hai trong số sáu cá nhân liều lĩnh khi họ còn cùng nghiên cứu dưới mái trường Đại học Caltech. Tại một vị trí đắc địa, không xa nơi thử nghiệm sơ khai được thực hiện, von Karman thiết lập một khu vực khác, nơi Rocket Boys có thể tiếp tục các thí nghiệm của mình.

Năm 1943, địa điểm này trở thành nơi xây dựng Phòng thí nghiệm Phản lực Đẩy (Jet Propulsion Laboratory – JPL), với Theodore von Karman đảm nhiệm vai trò giám đốc đầu tiên. Tính tới nay, JPL đã phát triển thành một trong những nhánh nghiên cứu hàng đầu của NASA với hàng ngàn nhân sự, nhưng phòng thí nghiệm lâu đời vẫn giữ nguyên tôn chỉ của ngày đầu thành lập. Các chuyên gia hàng ngày cặm cụi thử nghiệm giới hạn của du hành không gian, cố gắng ứng dụng những khái niệm khoa học nhảy múa giữa ranh giới thực tế và viễn tưởng.

Trong những năm qua JPL đã đạt được nhiều kỳ tích. Đầu thập niên 70, các kỹ sư của phòng thí nghiệm đã chế tạo thành công Pioneer 10, tàu du hành đầu tiên có thể đạt tới vận tốc đủ để thoát khỏi Hệ Mặt Trời. Vài năm sau, họ dựng thành công hai tàu du hành Voyager 1 và 2, là một trong những vật thể nhân tạo có tốc độ nhanh nhất lịch sử. Hiện chúng đều đang bay hướng về vùng không gian liên sao.

Chỉ trong vòng hai thập kỷ, từ thời điểm khởi sinh Kỷ nguyên Không gian cho tới lúc hai tàu Voyagers cất cánh, các chuyên gia thiết kế tên lửa đã tăng gấp đôi tốc độ cho các thiết bị du hành. Nhưng từ sau đó trở đi, ngành hàng không vũ trụ mới chỉ chứng kiến một thiết bị nối gót Voyager bay ra khỏi Hệ Mặt Trời – là tàu New Horizons lên không năm 2006, ngoài ra chưa có thêm một tàu thăm dò hay du hành nào chạm tới tốc độ cao. Các chuyên gia của JPL đứng ngồi không yên, quyết tìm ra một cú nhảy vọt mới trong công nghệ du hành vũ trụ.

Dù nỗ lực mới có nội dung gì, nhìn chung các chuyên gia đều cho rằng quy mô “Hệ Mặt Trời” đã trở nên hạn hẹp. Đây là lúc con người cần nhìn tới những hành tinh xa hơn những thiên thể nội địa, tìm tới các vì sao xa hơn.

John Brophy, kỹ sư bay tại JPL đang phát triển một công nghệ động cơ lạ thường giúp tăng tốc du hành không gian thêm 10 lần nữa. Leon Alkalai, một kiến trúc sư sứ mệnh không gian khác, lại ấp ủ một chuyến hành trình liên sao mà khởi đầu là một cú bổ nhào về phía Mặt Trời. Một nhà khoa học tại JPL khác, Slava Turyshev, lại đang phác thảo một hệ thống kính viễn vọng mà với nó, ta có thể quan sát những hành tinh giống Trái Đất một cách cặn kẽ, không nhất thiết phải tới tận nơi.

Tất cả những ý tưởng trên đều là những kế hoạch dài hơi, nhưng chỉ cần một trong số chúng thành công, ứng dụng sẽ nhiều không kể xiết. Nhóm Rocket Boys và hậu duệ đã đưa con người thành giống loài du hành không gian, thế hệ các nhà nghiên cứu đương đại tại JPL sẽ giúp nhân loại du hành liên sao.

Cảm hứng tới với nhà nghiên cứu Brophy xuất phát từ Breakthrough Starshot, dự án công bố hồi 2016 bởi cố nhà vật lý lý thuyết Stephen Hawking và vị tỷ phú người Nga Yuri Miller. Mục tiêu tối thượng của dự án là một dàn tia laser công suất lớn với bề ngang lên tới cả kilomet, có thể đẩy một tàu du hành cỡ nhỏ tới vận tốc viễn tưởng.

Brophy hoài nghi khả năng thành công của Breakthrough Starshot, nhưng kỹ nghệ đằng sau nó lại khơi gợi trí tò mò của ông. ” JPL khuyến khích nhân sự của mình mở rộng suy nghĩ ra ngoài lẽ thường, khiến những ý tưởng dị hợm của tôi lại càng quái hơn theo thời gian“, nhà nghiên cứu Brophy thổ lộ. Tuy cho rằng tính khả thi của dự án Breakthrough Starshot nằm ngoài thực tế, ông vẫn tự hỏi liệu có thể giảm quy mô ý tưởng này xuống tới mức công nghệ cận viễn tưởng đáp ứng được.

Ý tưởng dùng tia laser đẩy tàu du hành thôi thúc nhà nghiên cứu Brophy tìm giải pháp tương tự, bởi lẽ nó sẽ hóa giải được “phương trình tên lửa” vốn liên kết vận động của một con tàu không gian với lượng nhiên liệu nó mang trên mình. Mở ra một loạt những vấn đề hóc búa, phương trình toán học vốn là rào cản của mọi hệ thống du hành không gian: bay nhanh thì cần thêm nhiên liệu, nhưng nhiều nhiên liệu thì khối lượng lại tăng; khối lượng lớn yêu cầu thêm lực đẩy, tức là thêm nhiên liệu. Vòng luẩn quẩn cứ thế tiếp diễn.

Nhiên liệu – thứ không thể thiếu trong du hành không gian bằng động cơ đốt lại chính là thứ ngăn ta bay xa. Đơn cử như hệ thống tên lửa đưa tàu thăm dò Voyager (vốn chỉ nặng hơn 800 kg) nặng tới hơn 600 tấn, với nhiên liệu chiếm phần lớn khối lượng.

Từ ngày mới tốt nghiệp hồi những năm 1970, nhà nghiên cứu Brophy đã nghiên cứu phát triển một hệ thống hỗ trợ du hành có tên gọi ion tạo lực đẩy. Một động cơ ion sẽ dùng năng lượng điện để bắn các nguyên tử mang điện tích dương (tức là các ion) với một tốc độ cao. Mỗi nguyên tử chỉ tạo ra một lực đẩy nhỏ, nhưng khả năng tích tiểu thành đại khiến động cơ ion đẩy tàu nhanh hơn động cơ dùng phản ứng hóa học.

Động cơ ion vẫn mang trong mình những hạn chế. Bay càng xa mặt trời, hiệu suất các tấm pin năng lượng càng giảm. Tăng kích cỡ pin có thể khắc phục được điều đó, nhưng kích cỡ tăng đồng nghĩa với việc khối lượng tăng, và phương trình tên lửa tiếp tục ám ảnh con tàu du hành.

Một động cơ ion không tạo ra đủ lực đẩy để thoát khỏi lực hấp dẫn của Trái Đất. Ngay cả trong môi trường vắng lực cản không khí, động cơ ion vẫn mất kha khá thời gian để đạt được tối đa vận tốc. Ông Brophy hiểu rõ những hạn chế này, khi chính tay ông thiết kế động cơ ion của tàu du hành Dawn, thiết bị vừa hoàn thành sứ mệnh kéo dài 11 năm thăm dò tiểu hành tinh Vesta và hành tinh lùn Ceres. Ngay cả với tấm pin năng lượng mặt trời rộng tới 20 mét, tàu Dawn vẫn phải mất 4 ngày để tăng tốc từ 0-100km/h.

Trong khi Brophy vẫn đang cân nhắc giữa động cơ hiệu quả với một nguồn năng lượng mặt trời chưa đủ mạnh, dự án Breakthrough Starshot ra mắt công chúng. Đó là lúc nhà nghiên cứu lão thành chuyển hướng suy nghĩ: liệu ông có thể dùng tia laser cực mạnh thay thế cho những tia sáng yếu dần đều theo khoảng cách không? Với một hệ thống laser đủ mạnh, động cơ ion có thể vận hành mạnh mẽ hơn, trong khi không cần phải mang trên mình một tấm pin mặt trời quá khổ.

Trong phòng thí nghiệm của mình, ông Brophy lắp ráp được một nguyên mẫu động cơ ion hiệu suất cao đầy tiềm năng. Thiết bị sử dụng ion lithium, vốn nhẹ hơn ion xenon được tàu Dawn sử dụng, tức là thiết bị mới sẽ cần ít năng lượng hơn để đẩy tàu du hành đi với vận tốc cao hơn.

Động cơ mới sẽ vận hành ở hiệu điện thế 6.000 volt, gấp 6 lần mức mà tàu Dawn hoạt động trong quá khứ. ” Hiệu năng thiết bị này sẽ thực sự gây kinh ngạc, nếu như ta có một hệ thống laser hậu thuẫn nó“, ông khẳng định.

Tuy nhiên, máy phát laser đó không tồn tại. Dù đã phải giảm quy mô mô hình Starshot xuống nhiều lần, ông Brophy vẫn mường tượng ra một hệ thống laser đặt trong vũ trụ mạnh tới 100 megawatt, sản sinh ra lượng năng lượng gấp 100 lần con số mà Trạm Vũ trụ Quốc tế (ISS) tạo ra hàng ngày, thậm chí nó phải bắn chính xác vào một tàu du hành đang bay ở vận tốc cao.

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

Lấy ví dụ, ông Brophy mô tả một con tàu chạy pin lithium-ion với sải cánh 90 mét trải đầy những tấm quang điện, vốn cung cấp năng lượng cho động cơ ion phản lực ông đang phát triển tại JPL. Tia laser sẽ phủ sáng các tấm pin năng lượng mặt trời, với cường độ sáng gấp hàng trăm lần ánh Mặt Trời; nó sẽ giúp một động cơ ion dư sức bay từ Trái Đất tới Sao Diêm Vương, hết quãng đường khoảng 5 tỷ km. Sẵn gia tốc lớn, tàu du hành có thể bay thêm khoảng 5 tỷ km nữa sau khoảng từ 1-2 năm sau khi tới Sao Diêm Vương.

Với tốc độ này, một tàu du hành có thể nhanh chóng khám phá khu vực mờ ảo nơi khởi nguồn các sao chổi, hoặc khởi đầu hành trình nghiên cứu hành tinh thứ chín mới chỉ đang tồn tại trên giả thuyết. Nói tóm lại, dàn laser sẽ giúp nhân loại với tay tới hầu hết các ngóc ngách Hệ Mặt Trời.

” Như vừa sắm một cái búa mới tinh vậy, tôi sẽ chạy quanh tìm bất cứ cái đinh nào có thể đóng được“, ông Brophy mơ màng nghĩ tới tương lai đẹp. ” Chúng tôi có cả một danh sách dài những sứ mệnh bạn có thể làm nếu như bay được nhanh như thế“.

Cũng tại JPL, một bộ óc khác cũng nhìn thấy tiềm năng từ hệ thống laser “viễn tưởng” của Breakthrough Starshot. Ông Alkalai, người định hình hướng phát triển cho những sứ mệnh mới của Ban giám đốc Kỹ thuật và Khoa học tại JPL, cũng có cái nhìn xa của một con người đam mê chân trời mới. Ông cho rằng dự án Starshot đi đúng hướng, nhưng hấp tấp quá.

” Chúng ta vẫn còn xa thời điểm có đủ công nghệ hiện đại để thiết kế một sứ mệnh bay tới vì sao khác. Ta cần khởi đầu bằng những bước đi tí hon“, ông nói.

Ông đã hình dung ra cách vung chân để đi bước đầu tiên. Dù chưa thể ghé thăm những vì sao khác, ta vẫn có thể gửi tàu thăm dò đi lấy mẫu từ vùng không gian liên sao, là những khí thừa và bụi vũ trụ lơ lửng giữa các vì sao.

” Tôi rất hứng thú với việc tìm hiểu vật chất nằm ngoài Hệ Mặt Trời. Suy cho cùng, chúng ta xuất thân từ chúng mà. Sự sống khởi sinh từ những đám mây bụi nguyên sơ“, ông Alkalai nói. ” Ta biết bên trong chúng có vật chất hữu cơ, nhưng nó thuộc loại gì? Mật độ ra sao? Có phân tử nước trong đó không? Đó là những [kiến thức] lớn cần được hiểu“.

Vùng trung gian giữa các ngôi sao vẫn bí ẩn, bởi lẽ ta chưa chạm tới được chúng. Những cơn gió mặt trời, là một luồng hạt phóng ra từ ngôi sao trung tâm Hệ, đẩy những vật chất cần được nghiên cứu ra xa. Nếu ta tới được vùng không gian nằm ngoài tầm ảnh hưởng của Mặt Trời, ta sẽ lần đầu tiên lấy được mẫu “tinh khiết” của Dải Ngân hà.

Ông Alkalai mong tới ngày được tận tay tận mắt chứng kiến mẫu vật quý giá. Ông đã ngoài 60, không thể trông đợi dàn laser khổng lồ của Breakthrough Starshot được. Thay vào đó, ông đề xuất một công nghệ đơn giản hơn, tuy chưa được chứng thực nhưng nó vẫn đã có danh xưng, là tên lửa nhiệt mặt trời.

” Rất khó, nhưng chúng tôi đã đang dựng mô hình các yếu tố vật lý liên quan“, ông Alkalai nói. Nhà nghiên cứu mong muốn có thể sớm thử nghiệm một số bộ phận thuộc hệ thống tên lửa nhiệt, và biến những bản thiết kế thành một sứ mệnh hoàn chỉnh trong thập kỷ tới. Khoảng 10 năm sau khi phóng tàu, thiết bị sẽ tới được vùng không gian liên sao.

Bên cạnh việc lấy mẫu thiên hà, tàu sẽ ghi lại ảnh hưởng của Mặt Trời tới khoảng không xa xôi, nghiên cứu cấu trúc bụi trong Thái Dương Hệ. Một hành trình suôn sẻ sẽ giúp tàu thăm dò tiện đường ghé một hành tinh nào đó.

Ông Alkalai gọi đây là chuyến đi ” không giống bất cứ dự án gì chúng ta đã thực hiện trong quá khứ“.

Các khái niệm tên lửa nhiệt mặt trời hay động cơ laser-ion rất ấn tượng, nhưng vẫn nằm gọn trong lãnh thổ viễn tưởng. Khoảng cách giữa Hệ Mặt Trời và khoảng không gian liên sao vẫn xa vời với công nghệ hiện đại. Điều đó không làm cho nhà nghiên cứu Turyshev chùn bước, khi ông đang thiết kế một sứ mệnh “ảo” giúp chúng ta vươn tới vì sao khác.

Ông đang nuôi dưỡng dự án kính viễn vọng dựa trên phương pháp mang tính giả thuyết có tên “phân phối của lực hấp dẫn mặt trời – the solar gravitational lens (SGL)”.

Một kính viễn vọng nằm ở vị trí thích hợp để tận dụng SGL sẽ chứng kiến hiện tượng đẹp huyền hảo. Khi nhìn về phía Mặt Trời, kính sẽ thấy ánh sáng từ những vật thể đằng sau bị kéo giãn, tạo thành một vòng bao quanh Mặt Trời. Vòng sáng này có tên gọi Vòng Einstein (hay còn có tên khác là Vòng Chwolson, đặt theo tên nhà vật lý học người Nga Orest Khvolson), hiện ra dưới tác động bẻ cong ánh sáng của lực hấp dẫn Mặt Trời.

Theo lời ông Turyshev, một kính viễn vọng tận dụng được SGL sẽ đánh mắt tới các điểm vị trí trên Vòng Einstein, tái dựng hình ảnh nơi xa – có thể là những ngôi sao, những ngoại hành tinh ở hệ sao, thiên hà khác – thành một tấm hình có độ phân giải megapixel.

Trên lý thuyết, tấm ảnh có thể rõ ràng đến vậy đó. Một hình ảnh với độ phân giải 10001000 pixel sẽ đủ rõ ràng để mang chứa dữ liệu về một vật thể có chiều ngang 15km nằm cách kính viễn vọng 100 năm ánh sáng (khoảng 950 nghìn tỷ kilomet).

Sứ mệnh sẽ cần tới một thiết bị có kích cỡ tương đương Kính viễn vọng Hubble, và sống sót được chuyến hành trình dự kiến sẽ dài 547 đơn vị thiên văn, tương đương 82 tỷ kilomet, gấp 55.000 lần khoảng cách giữa kính thiên văn James Webb và Trái Đất. Theo đề xuất của ông Turyshev, chuyến đi vất vả sẽ kéo dài 17 năm, do một hệ thống trí tuệ nhân tạo dẫn đường.

Hơn hết, họ sẽ cần một mục tiêu nghiên cứu – một hành tinh đáng để tiêu tốn hàng tỷ tỷ USD tiền vốn và hàng chục năm nghiên cứu phát triển. Với phương châm “bài dễ làm trước”, NASA đã đang để mắt tìm một ngoại hành tinh có kích cỡ tương tự Trái Đất có khả năng hỗ trợ sự sống.

” Cuối cùng, để thấy sự sống trên ngoại hành tinh, ta sẽ phải ghé thăm nó. Nhưng một sứ mệnh quan sát sẽ giúp chúng ta nghiên cứu sớm những đích đến khả thi trước cả nhiều thập kỷ, thậm chí nhiều thế kỷ“, ông Turyshev hồ hởi đề xuất.

Hành trình thay đổi nhận thức con người này sẽ đặt yêu cầu cao hơn sự thành công của động cơ ion và “ná cao su Mặt Trời”. Một đích đến xa vời, nhưng ít nhất chúng ta đã có những kinh nghiệm quý báu trong hoạt động đưa kính viễn vọng ra với khoảng không lạnh lẽo.

Những thành tựu sắp được công bố bởi đội ngũ phát triển Kính viễn vọng Không gian James Webb sẽ tiếp lửa cho dự án của ông Turyshev, đồng thời mở ra những hướng nghiên cứu mới khả thi. Suy cho cùng, trăm nghe không bằng một thấy, và khi có thể thấy và đo đạc chính xác, thì trăm thấy sẽ dẫn đến một thăm.