Nhìn ra thế giới: Khám phá không gian vũ trụ

Thời điểm: năm 1974. Địa điểm: bên ngoài không gian giữa sao Kim và sao Thuỷ. Tàu thăm dò không gian Mariner 10 của NASA có một vấn đề nghiêm trọng.

Ông CHRISTIAN READY -  Kênh Launch Pad Astronomy: “Do có một số thao tác không định trước, họ đã phải giảm lượng thuốc phóng xuống khá thấp so với dự kiến, và để có thể duy trì khả năng kiểm soát tàu vũ trụ, NASA đã phải tính đến một cách giải quyết khác.”
Nếu họ không nhanh chóng làm gì đó, tàu thăm dò có thể trượt khỏi quỹ đạo tới sao Thuỷ. Và đó là khi các kỹ sư đã đưa ra một kế hoạch tuyệt vời. Những gì họ đã làm là sử dụng các tấm pin năng lượng mặt trời của tàu vũ trụ. Bằng cách đặt các tấm pin theo hướng về phía mặt trời, áp suất của ánh sáng mặt trời sẽ di chuyển và định hướng tàu vũ trụ khi cần.”

Và nó đã thành công. Tàu Mariner 10 trở thành tàu không gian vũ trụ đầu tiên thăm dò sao Thuỷ và gửi về những hình ảnh cận của hành tinh này. Quyết định trong phút chốc này đã chứng minh áp suất mặt trời có thể được sử dụng để giữ tàu thăm dò đi đúng hướng, giống như một chiếc thuyền buồm sử dụng sức gió. 

“NASA đã thành công trong việc “lái” con tàu Mariner 10, mặc dù điều đó không nằm trong thiết kế sứ mệnh ban đầu. 

KHÁM PHÁ KHÔNG GIAN VŨ TRỤ VỚI “CÁNH BUỒM MẶT TRỜI

Cánh buồm mặt trời sử dụng nguồn năng lượng sẵn có, gần như vô hạn từ mặt trời. Nếu bạn đang bật đèn hoặc ở dưới ánh nắng mặt trời, bạn có thể sẽ ngạc nhiên khi biết ánh sáng đó đang tác động lên bạn. 

“Dù tin hay không, ánh nắng mặt trời có tác động lên chúng ta. Nếu bạn đi ra ngoài vào ban ngày, vào một ngày đầy nắng, bạn có thể cảm thấy một lực tương đương với một chiếc lông rất nhẹ tác động lên lòng bàn tay của bạn. Nó không quá lớn và chúng ta thậm chí không nhận ra, bởi ngay cả những cơn gió nhẹ nhất thoảng qua cũng có thể lấn át cảm giác đó. Nhưng bên ngoài không gian, đó là một câu chuyện hoàn toàn khác vì không có gì níu giữ bạn cả. Không có gió lớn hay gió nhẹ, hay bất kỳ lực nào tác động lên bạn. Do vậy, dù tác động rất chậm nhưng chắc chắn áp suất của ánh nắng mặt trời sẽ tích tụ và sẽ dần dần đẩy bạn đi.”

"Cánh buồm mặt trời” lần đầu tiên được nhà thiên văn học Johannes Kepler nhắc tới vào năm 1610, cho rằng một ngày nào đó cánh buồm không gian có thể bắt được ánh nắng mặt trời như một cánh buồm đón gió. Mặc dù ông không thể hiểu hoàn toàn cơ chế để hiện thực hoá điều này, nhưng nó sau đó đã được lý thuyết hoá bởi nhà vật lý học James Clerk Maxwell, người đã chỉ ra theo một cách toán học rằng ánh nắng mặt trời mang theo động lượng tạo ra áp suất lên vật thể. 

Tiến sỹ BRUCE BETTS - Nhà khoa học, Hiệp hội Hành tinh: “Khi bạn đến gần khoảng chân không, và bạn có một vật thể có trọng lượng thấp, và một cánh buồm sáng bóng có thể phản chiếu ánh sáng, bạn hoàn toàn có thể sử dụng nó để đẩy một con tàu vũ trụ. Hay ít nhất đó là theo lý thuyết.”

Cánh buồm mặt trời giúp đưa ra một giải pháp khả thi cho một trong những trở ngại lớn nhất mà các sứ mệnh không gian đang phải đối mặt: đó là nguồn cung nguyên liệu hạn chế. 

“Khi bạn sử dụng hết lượng thuốc phóng, bạn không còn gì để tạo ra lực đẩy. Và đó là hạn chế cơ bản của tên lửa.”

Nhưng với sự thành công của các sứ mệnh “cánh buồm mặt trời” do Cơ quan Hàng không vũ trụ Nhật Bản (JAXA), NASA, và gần đây nhất là của Hiệp hội Hành tinh (the Planetary Society) thực hiện, các sứ mệnh giờ đây có thể kéo dài lâu hơn, chi phí thấp hơn, nhanh hơn và đi được xa hơn vào không gian so với trước đây.

“Nó đã thực sự mở ra cơ hội khám phá hệ mặt trời trong một phạm vi mà chúng ta chưa thể tiếp cận với công nghệ hiện tại của mình.”
“Các nhà thiên văn học đôi khi cho rằng không gian bị cong”

Những người như Carl Sagan, đồng sáng lập của Hiệp hội Hành tinh, đã nhìn ra tiềm năng của nó cho những sứ mệnh trong tương lai. 

“Vậy giờ nó sẽ có tác dụng gì? Nó sẽ đưa anh tới bất kỳ nơi nào mà anh muốn. Một sứ mệnh mà đang được nhắc tới gần đây là điểm gặp nhau với sao chổi Halley (Ha-li). Tôi luôn muốn được làm điều đó.”

Nhiều năm sau khi mất, ông ấy vẫn truyền cảm hứng cho một thế hệ nhằm biến giấc mơ của ông thành hiện thực. Nhưng cánh buồm mặt trời đầu tiên của Hiệp hội Hành tinh, Cosmos 1, chưa bao giờ vào được quỹ đạo của nó sau một sự cố tên lửa vào năm 2005. “Du thuyền mặt trời” IKAROS của Cơ quan Hàng không vũ trụ Nhật Bản mới là con tàu vũ trụ đầu tiên sử dụng cánh buồn mặt trời thành công tiến vào không gian vào năm 2010. Và 1 năm sau đó, tàu NanoSail-D của NASA cũng làm được điều tương tự trong quỹ đạo Trái đất tầm thấp. 

Nhưng sự phát triển của các công nghệ gần đây mới thực sự thực hiện các sứ mệnh thực tế.

“Chìa khoá công nghệ đằng sau “cánh buồm mặt trời” thực chất lại không nằm ở cánh buồm, mà nằm ở tải trọng càng nhỏ và nhẹ càng tốt. Và trong những năm gần đây, chúng ta đã phát triển được công nghệ có tên gọi CubeSat. Chúng ta thậm chí còn có cả công nghệ có tên NanoSat. Đó là những vệ tinh siêu nhỏ có trọng lượng chưa đến 1kg, chúng chứa tất cả các thiết bị điện tử cần thiết để tiến hành một sứ mệnh không gian. Tất cả mọi thứ từ thiết bị điện tử hàng không, thiết bị liên lạc, thiết bị điều khiển cao độ, thiết bị định hướng, đều được tích hợp vào các con chip silicon. Những vệ tinh CubeSat này, được gắn kèm với một cánh buồm mặt trời, có tải trọng hiệu quả mà không mất quá nhiều chi phí.”

Sự kết hợp giữa cánh buồm mặt trời và các thiết bị nhỏ này, khi lắp ghép vào với nhau, sẽ giúp làm giảm chi phí khám phá không gian và nhiều người cũng dễ tiếp cận hơn. Hiệp hội Hành tinh đã chuẩn bị điều đó để chứng minh đây có thể là một sự lựa chọn hữu ích. 
Năm 2019, vệ tinh siêu nhẹ CubeSat của Hiệp hội này, với kích thước chỉ bằng một ổ bánh mỳ, có tên gọi LightSail 2, đã được phóng thành công cùng tên lửa đẩy Falcon Heavy của Tập đoàn công nghệ thám hiểm không gian SpaceX.

“LightSail 2 được phóng lên như một vệ tinh CubeSat có kích thước như thế này. Đây là phiên bản bằng bìa theo tỷ lệ 1:1. Và một khi nó đi vào quỹ đạo, nó sẽ mở ra các tấm pin năng lượng mặt trời, lộ ra cánh buồm bên trong, một số thiết bị đo đạc, máy ảnh. Sau đó, chúng tôi triển khai cánh buồm mặt trời, nó có kích thước như một võ đài quyền anh, 32m2, và mở ra 4 cánh buồm hình tam giác từ chiếc trụ “bánh mỳ”. Các cánh buồm được làm bằng Mylar, một loại polyester nhẹ và mỏng như tơ nhện, giống như những quả bóng Mylar nhưng mỏng hơn, với bề rộng 4 micromet, 1 micromet bằng 1/triệu của 1m. Nó rất mỏng và để không bị rách, chúng tôi phủ lên Ripstop, là một loại vải nylon chống rách rất tốt.”

Ánh sáng từ mặt trời, được tạo nên từ các photons, chiếu vào bề mặt vải bóng Mylar, mang theo động lượng, phản xạ lên bề mặt cánh buồm và tạo ra lực đẩy. Sau đó, nhóm nghiên cứu sử dụng bánh xe động lượng để lái tàu vũ trụ. LightSail 2 là sứ mệnh đầu tiên thành công trong việc sử dụng cánh buồm mặt trời để di chuyển. 

“Mục đích chính của LightSail 2 chứng minh cánh buồm mặt trời có thể điều khiển trong một con tàu vũ trụ nhỏ, cụ thể là trong CubeSat, và chúng tôi đã đạt được điều đó.”

Nó đã di chuyển. Nhưng đây mới chỉ là sự khởi đầu. Trong vài năm tiếp theo, sứ mệnh không gian Artemis 1 của NASA sẽ hướng đến mặt trăng và mang theo vệ tinh cánh buồm mặt trời có tên Near-Earth Asteroid Scout, hay còn gọi là NEA Scout. Một khi đã bay vào không gian, vệ tinh này sẽ tách khỏi Artemis và du hành đến một tiểu hành tinh trong vòng 3 năm tính từ thời điểm phóng lên. 

“Chúng tôi đã có một thoả thuận với NASA, là chúng tôi làm việc trực tiếp trong sứ mệnh cánh buồm mặt trời NEA Scout (Ni-a-s-cao) và cùng nhau làm việc để tiếp tục những gì đang nghiên cứu.”

Nhưng cánh buồm mặt trời không bị hạn chế bên trong hệ mặt trời, nơi có rất nhiều ánh sáng mặt trời. Mà ngược lại. Nó còn là cách tốt nhất để vươn ra bên ngoài hệ mặt trời và hơn thế. Tuy nhiên nó sẽ cần phải được cải tiến từ công nghệ hiện tại. 

“Một trong những nhược điểm trong các thiết kế cánh buồm mặt trời hiện nay là chúng được làm theo nguyên khối, có nghĩa là cuối cùng bạn phải căng, cuộn và điều chỉnh toàn bộ cánh buồm. Nhưng nếu bạn có thể chia cánh buồm thành các bộ phận, bạn có thể nối từng bộ phận lại với nhau và cơ động hơn rất nhiều. Và đó là những gì mà một công ty có tên Xplore đang nghiên cứu với ý tưởng SunVane của họ. SunVane sử dụng một phần cánh buồm rất lớn và chia nó thành 6 hay 8 cánh gạt. Các cánh gạt từ đó có thể nối với nhau một cách độc lập, và giúp SunVane trở thành cánh buồm cơ động rất tốt. Ưu điểm của khả năng cơ động cao là bạn có thể đạt được điểm đến mục tiêu nhanh hơn nhiều, bởi bạn có thể vạch ra một con đường ngắn và hiệu quả hơn để đưa bạn từ điểm A tới điểm B.”

SunVane sẽ di chuyển hướng vào bên trong về phía mặt trời, giống như một chiếc thuyền buồm đi vào hướng gió, và rồi hướng các cánh gạt về phía mặt trời với một gia tốc tối đa. Việc triển khai công nghệ này, dù chỉ mới ở trong giai đoạn lập kế hoạch ban đầu, đặt mục tiêu đạt được tốc độ từ 5-8 đơn vị thiên văn mỗi năm. 1 đơn vị thiên vặn bằng khoảng cách trung bình từ Trái Đất đến Mặt trời. Điều đó sẽ giúp sứ mệnh của SunVane trở thành con tàu thăm dò nhân tạo nhanh nhất từng được phóng lên, chạm đến sao Mộc trong khoảng thời gian chưa tới 1 năm. Mà không tốn một giọt nhiên liệu nào. Tuy nhiên xét đến khoảng cách vô cùng lớn trong không gian, nó thậm chí vẫn cần phải đi nhanh hơn và bay gần hơn tới mặt trời để có thể hoàn thành những sứ mệnh không gian phức tạp mà các nhà khoa học hy vọng đạt được. Nhưng cho đến nay, công nghệ vẫn chưa đạt được đến đó. 

“Nhiệt độ môi trường trong đó cực kỳ cao. Do vậy bạn cần phải có một vật liệu cực kỳ nhẹ nhưng cũng cực kỳ bền. Một số vật liệu cải tiến có thể được sử dụng như cánh buồm làm từ silic nitride hay silica. Những vật liệu này vẫn chưa tồn tại nhưng hiện có những công ty đang nghiên cứu để phát triển chúng.”

Một hạn chế khác của cánh buồm mặt trời là nó không thể mang theo một vật thể nặng, chẳng hạn như con người.

Để đẩy được một tải trọng lớn, chẳng hạn trọng tải thô, bạn sẽ cần một cánh buồm rất lớn và rất nhiều thời gian để đạt được đủ vận tốc, tất nhiên, trừ phi bạn muốn cử đoàn thám hiểm đi lặn trong mặt trời. Nhưng điều đó thì không được tốt cho sức khoẻ lắm đâu.” 

Nhưng với những tàu vũ trụ nhỏ, khả năng là vô tận. Sứ mệnh tham vọng nhất sử dụng cánh buồm mặt trời, ngay cả việc thăm dò hệ mặt trời khác, và cho phép chúng ta chạm tới hệ thống sao gần nhất, Alpha Centauri, chỉ trong 20 năm, đó là dự án Breakthrough Starshot. 

“Ý tưởng của dự án này là sử dụng một loạt các tia laser có xung lực terawatt, tập trung ánh sáng vào một con tàu cánh buồm nhỏ có trọng lượng chưa tới 1gr. Trong 1gr đó sẽ có cánh buồm,  tàu vũ trụ, máy ảnh, một ăng-ten truyền tín hiệu, tất cả mọi thứ, tất cả đều siêu thu nhỏ. Tàu NanoSails có thể tăng lên khoảng 10% vận tốc ánh sáng và có khả năng chạm tới Alpha Centauri (An-pha Xen-to-ri) trong khoảng 20 năm.”

Mặc dù công nghệ hiện nay chưa thể giúp Breakthrough Starshot trở thành hiện thưc, cánh buồm mặt trời đang bước vào giai đoạn tiếp theo. Những sứ mệnh, từng được coi là rất lớn khi tính đến chi phí và phạm vi, sẽ sớm được phóng lên như những vệ tinh phụ, hỗ trợ cho các sứ mệnh khác. Điều đó có nghĩa việc thăm dò các tiểu hành tinh, mặt trăng của các hành tinh bên ngoài, hay thậm chí là các vật thể giữa các vì sao tiến vào hệ mặt trời, có thể đạt được dễ dàng hơn rất nhiều. 

“Bạn sẽ có một lượng ánh sáng mặt trời vô hạn không bao giờ hết. Bạn không cần tới nhiên liệu mà vẫn có thể tiếp tục di chuyển. Không phải di chuyển bằng ánh sáng mặt trời sẽ thay thế các tên lửa hoá học, nhưng cánh buồm mặt trời sẽ tạo điều kiện cho chúng ta làm được nhiều hơn những gì chúng ta có thể làm với mỗi tên lửa hoá học.”

“Công nghệ này rất quan trọng với các sứ mệnh trong tương lai vì nó là một công nghệ hỗ trợ. Nó cho phép bạn thực hiện những sứ mệnh với việc giám sát thời tiết không gian mà bạn không có cách nào khác thực hiện được, hay quan sát các cực của các hành tinh mà bạn không thực hiện được, tiến hành nhiều cuộc thăm dò và có sự linh hoạt để thích ứng khi bạn không còn cách nào khác. Và một ngày nào đó có thể là những sứ mệnh giữa các vì sao, mà bạn không thể thực hiện được.”