Bất kỳ nhà khoa học nào cũng đồng ý rằng, thử thách lớn nhất, tốn kém nhất của nhân loại khi chinh phục vũ trụ bắt đầu từ mặt đất, hay nói đúng hơn là tạo ra lực đẩy để chiến thắng trọng lực của trái đất. Cũng vì lý do đó mà đến giờ, nơi xa nhất con người từng đặt chân tới cũng mới chỉ là mặt trăng. Điều này được hai giáo sư Zephyr Penoyre của đại học Cambridge, vương quốc Anh và Emily Sandford của đại học Columbia, New York đồng tình.
Vấn đề của công nghệ du hành vũ trụ hiện tại là động cơ tên lửa vận hành bằng cách đẩy vật chất theo một hướng để tạo ra phản lực, đưa con tàu vũ trụ bay lên theo hướng ngược lại. Công nghệ này đòi hỏi một lượng khổng lồ nhiên liệu, thứ vật chất với khối lượng khổng lồ bay cùng cả khối lượng của tên lửa đẩy và tàu vũ trụ. Hệ quả, để đưa một kg hàng hóa từ trái đất lên ISS chẳng hạn, chi phí là hàng chục nghìn USD. Đi càng xa thì chi phí càng cao vì cần càng nhiều nhiên liệu để đủ sức đưa hàng hóa tới những nơi xa hơn, từ mặt trăng đến sao Hỏa. Ấy vậy nên mới có những cách tư duy mới, tạo ra những giải pháp rẻ hơn để đưa con người cũng như hàng hóa vào không gian.
Một cách đầy tính viễn tưởng là xây dựng một chiếc thang máy khổng lồ để giúp hàng hóa và tàu vũ trụ vượt qua được trọng lực trái đất, với ý tưởng cơ bản nhất là tạo ra một sợi cáp dài hàng chục nghìn km. Khoang thang máy đưa con người và hàng hóa lên mặt trăng sẽ dùng năng lượng mặt trời, từ đó loại bỏ hoàn toàn yêu cầu nhiên liệu để đưa tên lửa đẩy ra ngoài vũ trụ như bây giờ. Thử thách lớn nhất chính là tạo ra sợi cáp đủ khỏe để phục vụ yêu cầu này. Lấy ví dụ hiện tại độ bền của carbon nanotube đã đủ sức để trở thành một loại vật liệu tiềm năng trong tương lai nếu có giải pháp sản xuất chất liệu này ở quy mô lớn và kích thước lớn. Nhưng ngay ở thời điểm hiện tại thì vẫn chưa làm được.
Và đó là lúc hai vị giáo sư kể trên, Penoyre và Sandford đưa ra một ý tưởng khác. Họ cho rằng, với những vật liệu đang được thương mại hóa hiện giờ, hoàn toàn đủ khả năng tạo ra “thang máy không gian” rồi. Đầu tiên là kiến thức cơ bản, mô hình thang máy để con người vượt qua trọng lực trái đất bao gồm một sợi cáp nối mặt đất, hướng thẳng lên trời, với chiều dài vượt qua cả quỹ đạo địa đồng bộ của trái đất, tức là khoảng 42.000 km. Sợi cáp đó muốn đủ bền để vận hành thì sẽ có trọng lượng vô cùng lớn. Để toàn bộ khối công trình này không đổ sụp xuống mặt đất, thì ý tưởng là hệ thống thang máy này sẽ được cố định bằng lực ly tâm tạo ra từ lực tự quay của trái đất.
Vấn đề của công nghệ du hành vũ trụ hiện tại là động cơ tên lửa vận hành bằng cách đẩy vật chất theo một hướng để tạo ra phản lực, đưa con tàu vũ trụ bay lên theo hướng ngược lại. Công nghệ này đòi hỏi một lượng khổng lồ nhiên liệu, thứ vật chất với khối lượng khổng lồ bay cùng cả khối lượng của tên lửa đẩy và tàu vũ trụ. Hệ quả, để đưa một kg hàng hóa từ trái đất lên ISS chẳng hạn, chi phí là hàng chục nghìn USD. Đi càng xa thì chi phí càng cao vì cần càng nhiều nhiên liệu để đủ sức đưa hàng hóa tới những nơi xa hơn, từ mặt trăng đến sao Hỏa. Ấy vậy nên mới có những cách tư duy mới, tạo ra những giải pháp rẻ hơn để đưa con người cũng như hàng hóa vào không gian.
Một cách đầy tính viễn tưởng là xây dựng một chiếc thang máy khổng lồ để giúp hàng hóa và tàu vũ trụ vượt qua được trọng lực trái đất, với ý tưởng cơ bản nhất là tạo ra một sợi cáp dài hàng chục nghìn km. Khoang thang máy đưa con người và hàng hóa lên mặt trăng sẽ dùng năng lượng mặt trời, từ đó loại bỏ hoàn toàn yêu cầu nhiên liệu để đưa tên lửa đẩy ra ngoài vũ trụ như bây giờ. Thử thách lớn nhất chính là tạo ra sợi cáp đủ khỏe để phục vụ yêu cầu này. Lấy ví dụ hiện tại độ bền của carbon nanotube đã đủ sức để trở thành một loại vật liệu tiềm năng trong tương lai nếu có giải pháp sản xuất chất liệu này ở quy mô lớn và kích thước lớn. Nhưng ngay ở thời điểm hiện tại thì vẫn chưa làm được.
Và đó là lúc hai vị giáo sư kể trên, Penoyre và Sandford đưa ra một ý tưởng khác. Họ cho rằng, với những vật liệu đang được thương mại hóa hiện giờ, hoàn toàn đủ khả năng tạo ra “thang máy không gian” rồi. Đầu tiên là kiến thức cơ bản, mô hình thang máy để con người vượt qua trọng lực trái đất bao gồm một sợi cáp nối mặt đất, hướng thẳng lên trời, với chiều dài vượt qua cả quỹ đạo địa đồng bộ của trái đất, tức là khoảng 42.000 km. Sợi cáp đó muốn đủ bền để vận hành thì sẽ có trọng lượng vô cùng lớn. Để toàn bộ khối công trình này không đổ sụp xuống mặt đất, thì ý tưởng là hệ thống thang máy này sẽ được cố định bằng lực ly tâm tạo ra từ lực tự quay của trái đất.
![[IMG]](https://photo2.tinhte.vn/data/attachment-files/2021/07/5565185_Tinhte_Vutru1.jpg)
Nhiều năm qua, các nhà vật lý học, cho đến thậm chí là cả những tác giả khoa học viễn tưởng và các nhà tương lai học đều đã cố gắng một cách đầy hào hứng để tính toán con số lực ly tâm để thang máy vũ trụ có thể trở thành hiện thực, nhưng chưa một ai thành công cả. Lý do là chưa có một chất liệu nào chịu nổi lực đó mà không bị hỏng cả công trình. Từ tơ nhện, Kevlar cho đến những loại sợi polymer sợi carbon khỏe nhất đều không thể chịu được. Vì thế, Penoyre và Sandford đưa ra một giải pháp khác. Thay vì cố định sợi cáp trên trái đất, thì sợi cáp sẽ cố định trên mặt trăng và hướng về phía trái đất.
Khác biệt về lực ly tâm trên trái đất và mặt trăng rất khác nhau. Trên trái đất, cọng cáp để đưa mọi thứ ra vũ trụ phải quay đủ 1 vòng quỹ đạo mỗi ngày. Nhưng nếu đặt cọng cáp này trên mặt trăng, thì một vòng quỹ đạo sẽ kéo dài ra cả tháng. Tốc độ di chuyển thấp hơn nhiều, dẫn đến lực ly tâm tác động lên sợi cáp gần 50 nghìn km sẽ thấp hơn nhiều. Không chỉ dừng ở đó, nếu làm thang máy vũ trụ treo từ mặt trăng, thì chiều dài sợi cáp sẽ đi qua một vùng không gian nơi trọng lực trái đất và trọng lực mặt trăng triệt tiêu lẫn nhau. Khu vực này được gọi là điểm Lagrange. Vượt qua điểm đó, trọng lực trái đất sẽ kéo sợi cáp về phía hành tinh xanh và ngược lại. Penoyre và Sandford cho rằng, nếu làm đường dây nối thẳng từ mặt trăng về trái đất, thì không có chất liệu nào hiện giờ có thể chịu được. Nhưng với sự hiện diện của điểm Lagrange, thang máy không gian không cần phải có chiều dài 385.000 km, tức là khoảng cách từ trái đất lên mặt trăng.
Quan trọng hơn, hai nhà khoa học cho rằng, chất liệu bền nhất hành tinh hiện giờ, đó là những carbon polymer như Zylon hoàn toàn đủ sức tạo ra cọng cáp khổng lồ kéo dài từ bề mặt mặt trăng đến quỹ đạo địa đồng bộ. Họ cũng đưa ra một giải pháp thử nghiệm, đó là một sợi cáp dài vài chục nghìn km, với tiết diện chỉ bằng một chiếc bút chì, với giá chỉ có… vài tỷ USD để chứng minh mức độ khả thi của ý tưởng này.
Thực sự, nghe “vài tỷ USD” thì hơi giống mỉa mai, nhưng đây là con số quá nhỏ cho một nhiệm vụ không gian. Lấy ví dụ chương trình Artemis, nỗ lực của NASA đưa con người quay lại mặt trăng vào năm 2024 có chi phí dự kiến đến năm tài khóa 2025 là khoảng 86 tỷ USD. Vì thế nếu chi vài trăm tỷ USD để làm thành công một chiếc thang máy nối liền trái đất với không gian, thì sau này quá trình khám phá vũ trụ của con người sẽ tiết kiệm được nhiều lần con số đó.
Một lợi ích rất lớn khác là ở điểm Lagrange, nơi không có trọng lực tác động, những công trình không gian như trạm vũ trụ sẽ an toàn và ổn định hơn. Thêm nữa, những nhiệm vụ không gian trước đến nay đều chưa từng chạm đến khu vực này, nên cũng giảm tối thiểu được lượng rác vũ trụ mà con người thải ra không gian, cũng như tần suất thiên thạch bay qua, khiến khu vực này thậm chí còn an toàn hơn, mở ra những giải pháp mới để chinh phục vũ trụ trong tương lai xa.
Theo Penoyre và Sandford, nếu tạo ra được căn cứ không gian ở điểm Lagrange, bắt đầu với chiếc thang máy không gian nối liền trái đất và mặt trăng, thì đó sẽ là thay đổi mang tính cách mạng trong ngành công nghiệp vũ trụ, kể cả về tiềm năng lẫn chi phí.
Quảng cáo
