Chương trình NIAC, canh bạc của NASA cho công nghệ du hành vũ trụ tương lai

Lĩnh vực du hành vũ trụ luôn là một khao khát lớn lao của loài người, nhưng câu hỏi về mức độ của tiến bộ công nghệ trong lĩnh vực này thường tạo ra nhiều tranh luận. Hiện nay, có hai cách nhìn phổ biến, thứ nhất tiến bộ công nghệ sẽ là một quá trình dần dần, xây dựng dựa trên công nghệ có sẵn với tốc độ ổn định, từng bước một. Hoặc góc nhìn thứ nhì, là nó sẽ kéo theo một bước nhảy vọt đột ngột, sử dụng một khái niệm hoặc một phương pháp dường như nằm trong cuốn tiểu thuyết khoa học viễn tưởng ở nhà chúng ta hơn là trong thực tế. Đây chính là ván cược mà chương trình Khái niệm Tiên tiến Cách tân của NASA (Innovative Advanced Concepts, hay NIAC) đang tham gia vào. Mặc dù chỉ là một đội ngũ nhỏ bé nhưng họ đang cam kết vượt qua ranh giới của những gì được coi là khả thi trong công cuộc khám phá không gian.
Như trong cái tên của nó đã thể hiện - các Khái niệm (Concepts) - chương trình này hướng đến một nhãn quan về tương lai chứ không phải là một dự án chế tạo, vì vậy ngân sách của nó rất nhỏ, chỉ khoảng vài triệu đô la mỗi năm. Con số này tương đối nhỏ so với tổng chi tiêu của NASA, và thậm chí ngân sách của NASA cũng chỉ là một phần nhò trong tổng số tiền chính phủ liên bang của Hoa Kỳ chi ra hàng năm. Mục tiêu của NIAC tất nhiên không phải là chế tạo tên lửa hay lên kế hoạch cho các sứ mệnh không gian, thay vì vậy vai trò của nó là hình dung về tương lai của việc khám phá không gian, trong hai đến bốn thập niên tới. NIAC cung cấp nguồn tài trợ ban đầu cho bất kỳ ai đưa ra một ý tưởng, bất chấp có thể khá kỳ lạ, nhưng khả thi và có tiềm năng cách mạng hóa sự hiểu biết cũng như cách thức chúng ta du hành trong không gian.

Có thể nói chương trình NIAC sẽ là một cánh cửa hoàn toàn thực tế, để chúng ta nhìn vào tương lai của du hành vũ trụ. Ảnh: Wired.

Một chiếc kính thiên văn có gương làm bằng chất lỏng

Chúng ta hãy xét kính thiên văn thể lỏng FLUTE (fluidic telescope), đây là một ví dụ về các dự án đổi mới mà NIAC đang khám phá. Kính thiên văn James Webb, chiếc kính lớn nhất từng được phóng vào không gian, có kích thước tương đối lớn với đường kính 6.6 mét. Trong khi James Webb thực sự gây ấn tượng, nhưng nó vẫn bị những kính thiên văn trên mặt đất áp đảo về kích cỡ, mà trong đó chiếc kính lớn nhất có đường kính dài hơn 30 mét, gấp 4.5 lần so với James Webb. Khi đánh giá kính thiên văn, thì tổng diện tích bề mặt quan trọng hơn đường kính. Nếu James Webb được đặt trên Trái đất, nó sẽ được coi là một chiếc kính thiên văn tốt, nhưng nó sẽ không được coi là mang tính cách mạng hay hàng đầu.

Kính viễn vọng James Webb, Những chiếc gương của nó cần được gấp theo kiểu origami để có thể chứa vừa bên trong tên lửa và sau đó mở ra khi nó đến đích. Ảnh: Smithsonian Mag.

Môi trường không gian đem lại nhiều lợi ích cho việc quan sát thiên văn. Nó giúp loại bỏ các vấn đề ô nhiễm ánh sáng và quan trọng nhất là sự biến dạng do bầu khí quyển Trái đất gây ra. Những yếu tố này góp phần tạo nên hiệu suất vượt trội của Kính viễn vọng Không gian James Webb. Tuy nhiên, kính thiên văn này cũng nắm giữ kỷ lục là sứ mệnh khoa học tốn kém nhất từng được phóng lên vũ trụ. Nguyên nhân là do chiếc gương lớn mà nó mang theo, vốn không thể lắp vừa vào bên trong các tên lửa hiện có. Để khắc phục điều này, các kỹ sư thiết kế James Webb đã nghĩ ra một giải pháp khéo léo: họ tạo ra một cơ chế gập độc đáo, tương tự như gấp giấy origami, một kỹ thuật chưa từng được sử dụng trước đây trong kính thiên văn. Thế nên cách làm sáng tạo này đã góp phần khiến chi phí của sứ mệnh tăng cao.

Kính viễn vọng FLUTE sẽ có một gương chính không phân đoạn, với đường kính dài 50 mét (164 foot) dựa trên sự định hình chất lỏng trong môi trường vi trọng lực. FLUTE không nhất thiết phải là sản phẩm thực tế, đúng hơn thì nó là tầm nhìn sắp tới cho mọi kính thiên văn trong không gian. Ảnh: NASA.

Trong lĩnh vực thiên văn học, kích thước rất quan trọng. Gương của kính viễn vọng càng lớn thì chúng ta càng có thể nhìn sâu vào vũ trụ xa xôi và càng có thể xác định rõ chi tiết của các vật thể ở gần tốt hơn nữa. Tuy nhiên, việc tăng kích thước của kính thiên văn đặt ra những thách thức, trừ khi chúng ta nghĩ khác đi. Dự án FLUTE đề xuất một giải pháp sáng tạo: gương của kính viễn vọng làm bằng chất lỏng. Ý tưởng này liên quan đến việc phóng lên không gian đài quan sát (chiếc kính), cùng với các thùng chứa đầy chất lỏng có tính phản chiếu cao. Một khi đã ở trong không gian, kính thiên văn sẽ mở rộng các cấu trúc hỗ trợ của nó và bắt đầu quay, sử dụng chuyển động quay của chính nó để định hình chất lỏng thành một cái gương, kích thước của kính sẽ giới hạn bởi lượng chất lỏng mà nó đem theo. Điều thú vị nằm ở chỗ hạn chế duy nhất của việc làm này là lượng chất lỏng có thể đem lên vũ trụ. Thiết kế được đề xuất bao gồm một kính viễn vọng có chiều dài đáng kinh ngạc là 50 mét, làm cho kính viễn vọng James Webb trở nên nhỏ bé, khiến nó trông giống như một thiết bị nghiệp dư và rẻ tiền khi so với FLUTE.
Chất lỏng được dự kiến sử dụng trong kính thiên văn FLUTE tất nhiên không phải là nước mà là những chất lỏng có tính phản xạ cao, như thủy ngân hoặc các kim loại lỏng eutectic, tức là một hỗn hợp kim loại có nhiệt độ nóng chảy thấp hơn cả các kim loại thành phần của nó. Chất lỏng này sẽ được đưa lên không gian dưới dạng nguyên liệu thô và hình thành tấm gương chính trong một khung tròn lớn. Bề mặt cong của chất lỏng sẽ được hình thành bởi sức căng bề mặt (σ) tự nhiên của chất lỏng.

Môi trường sống trên sao Hỏa được nấm cung cấp vật liệu

Nếu tầm nhìn về kính thiên văn có vẻ khá nhàm chán thì các nhà nghiên cứu đổi mới được NIAC tài trợ cũng có những đề xuất hấp dẫn khác, chẳng hạn như sử dụng nấm để xây dựng các khu sinh sống trên sao Hỏa. Khái niệm này, được gọi là mycotecture (tạm dịch: cấu trúc nấm), được thiết kể để giải quyết thách thức cơ bản cho bất kỳ sứ mệnh nào trên sao Hỏa trong tương lai: xây dựng các công trình.

Trên Trái đất, chúng ta thường bỏ qua sự phong phú và giá cả phải chăng của các vật liệu xây dựng như xi măng, gạch, gỗ, thạch cao và vách thạch cao. Khi chúng ta muốn xây dựng một thứ gì đó, chỉ đơn giản là thu thập các công cụ làm việc, thu mua vật liệu và bắt tay vào làm việc. Tuy nhiên, tình hình trên sao Hỏa lại rất khác. Ở đó, các tài nguyên như gỗ, vách thạch cao, thạch cao và gạch không tồn tại. Môi trường sao Hỏa bao gồm chủ yếu là bụi đỏ và bề mặt đá cứng, hoặc giống như sa mạc, với nhiệt độ thường ở dưới mức đóng băng. Trong tương lai gần, NASA và các cơ quan vũ trụ khác có kế hoạch vận chuyển tất cả các vật liệu xây dựng cần thiết từ Trái đất cho bất kỳ sứ mệnh có người lái nào tới Sao Hỏa. Tuy nhiên, cách tiếp cận này làm tăng đáng kể chi phí và những sứ mệnh như vậy lại càng phức tạp.

Vật liệu xây dựng đương nhiên sẽ không được làm từ từng cây nấm lớn như người ta thường hình dung, mà từ các chủng nấm (fungi) chuyên biệt, chúng sẽ phát triển thành những mạng lưới vật liệu đan xen chặt chẽ. Điều này sẽ đem lại một môi trường sống trên sao Hỏa rẻ tiền và hiệu quả. Ảnh: USRA.

Điều gì sẽ xảy ra nếu chúng ta có thể xây dựng không gian sống ngay trên sao Hỏa? Đáng buồn thay, bản thân đất trên sao Hỏa không phù hợp để xây dựng và con người cũng không có khả năng di chuyển thuận tiện đến các mỏ đá. Đây là lúc một ý tưởng đột phá từ NIAC xuất hiện: sử dụng nấm. Trong dự án này, các nhà khoa học đang nuôi cấy những loại nấm cụ thể để tạo thành các mạng lưới nguyên vật liệu dày đặc, đan xen. Mạng lưới này là chính là vật liệu xây dựng, ở đây chúng ta tận dụng các cơ chế tăng trưởng tự nhiên của nấm, nhưng theo cách được kiểm soát và định hướng để tạo ra những cấu trúc cụ thể, hay gần giống với trồng bonsai. Điều chủ yếu cần làm là chỉ cần cung ứng các chất dinh dưỡng cơ bản cho mạng lưới nấm này, thì khi đó người ta có thể "trồng" được tường, trần nhà và thậm chí cả đường ống dẫn nước trên sao Hỏa. Điều này sẽ tạo điều kiện cho sự phát triển cơ sở hạ tầng nhanh chóng, điều rất quan trọng để duy trì sự hiện diện lâu dài của con người trên Hành tinh Đỏ.

Gạch xây dựng được làm từ mô nấm. Ảnh: Space.

Một nhà nghiên cứu đang cầm một đĩa nấm mọc trong bụi sao Hỏa được mô phỏng. Ảnh: Space.

Thổi bay một tiểu hành tinh

Đối với trường hợp chúng ta chỉ quan tâm đến cuộc sống yên ổn trên Trái đất, thì NIAC vẫn đang hỗ trợ một dự án có thể rất quan trọng cho sự sống còn của chúng ta - cụ thể là việc ngăn chặn một vụ va chạm thảm khốc với tiểu hành tinh, nếu chẳng may nó xảy ra. Dự án có tên PI, với một chiến lược đơn giản: ngăn chặn thảm họa bằng cách phá hủy một tiểu hành tinh trước khi nó có cơ hội đến được Trái đất.

Hành tinh của chúng ta liên tục bị tấn công bởi các mảnh vụn vũ trụ. May mắn thay, hầu hết các vật thể không gian này đều nhỏ và chỉ tạo ra những trận mưa sao băng đẹp mắt. Tuy nhiên, khoảng mỗi năm một lần, lại có một tảng thiên thạch lớn đi vào bầu khí quyển của chúng ta với tốc độ 50–70,000 dặm/giờ. Vụ va chạm này giải phóng một lượng năng lượng cực lớn, tương tự như vụ nổ hạt nhân. Tuy nhiên, những thứ không mời mà đến này thường phát nổ vô hại trong bầu khí quyển, thường là trên khu vực không có người ở trên đại dương. Sau đó là những khối thực sự to lớn, giống như tiểu hành tinh đã gây ra sự tuyệt chủng của loài khủng long khoảng 66 triệu năm trước. Những tác động khổng lồ này xảy ra cứ sau vài triệu năm, và cũng đã khá lâu kể từ lần cuối cùng.

Phương pháp PI sẽ sử dụng sự truyền tải năng lượng để nghiền nát các tiểu hành tinh rất lớn để các mảnh vụn của chúng bốc cháy hết trong bầu khí quyển Trái đất. Ảnh: NASA.

Vì sự tồn tại lâu dài của giống loài, con người cần phải đảm bảo cho sự an toàn của mình. Một cách tiếp cận có thể là thuộc địa hóa các hành tinh khác, cung cấp cho chúng ta môi trường sống thay thế, dự phòng trước mọi bất trắc. Tuy nhiên, ngay cả khi con người mạo hiểm đi ra ngoài Trái đất, chúng ta vẫn có thể có tình cảm gắn bó với hành tinh quê hương của mình. Vì vậy, chắc chắn là chúng ta muốn bảo vệ nó khỏi những thiệt hại tiềm ẩn do các tiểu hành tinh lớn gây ra.
Cách đây không lâu, NASA đã trình diễn sứ mệnh DART, sứ mệnh này sẽ làm thay đổi một chút quỹ đạo của tiểu hành tinh. Chiến lược này có thể hiệu quả trong việc bảo vệ hành tinh của chúng ta, nhưng nó đòi hỏi chúng ta phải phát hiện ra tiểu hành tinh đủ sớm để chuyển hướng thành công. Tuy nhiên, chiến lược cho dự án PI lại khác. Kế hoạch ở đây là phóng một nhóm vật thể va chạm nhỏ, di chuyển cực nhanh lao trực tiếp vào một tiểu hành tinh đang đến gần. Thay vì cố gắng đẩy nó ra khỏi đường đi, thì những vật va chạm này sẽ xuyên qua bề mặt tiểu hành tinh và phá vỡ nó.
Ngay cả sau khi tiểu hành tinh bị vỡ thành nhiều mảnh, thì các mảnh này vẫn sẽ hướng về Trái đất. Tuy nhiên, bầu khí quyển của Trái đất có khả năng hấp thụ các tác động rất tốt. Nếu chúng ta bẻ gãy tiểu hành tinh thành những mảnh đủ nhỏ, chúng sẽ bốc cháy trong bầu khí quyển, tạo ra màn trình diễn ánh sáng ngoạn mục trên bầu trời, giống như pháo hoa.

Tất cả các khái niệm này, cũng như nhiều dự án khác do NIAC tài trợ, đang ở giai đoạn phát triển ban đầu và không có gì chắc chắn rằng chúng sẽ thành công. Trên thực tế, nhiều dự án trong số này có thể không thành hiện thực. Tuy nhiên, nếu muốn hướng tới những tiến bộ lớn lao, chúng ta cũng phải chuẩn bị cho một số thất bại. Bởi vì khi chúng ta thành công, kết quả đạt được thực sự đáng chú ý. Chẳng hạn, hãy xem xét chiếc trực thăng Ingenuity trên sao Hỏa. Nó hiện đang phá kỷ lục và mở đường cho một kiểu khám phá hành tinh hoàn toàn mới và dự án này được lấy cảm hứng từ NIAC.

Ảnh minh họa trực thăng Ingenuity trên sao Hỏa. Nó đã được phóng lên không gian vào ngày 30 tháng 7/2020 và thực hiện chuyến bay đầu tiên của mình trên sao Hỏa vào ngày 19 tháng 4/2021, trở thành máy bay không người lái đầu tiên bay trên một hành tinh khác. Ảnh: Cosmos Magazine.

Khía cạnh thú vị nhất của NIAC là bất kỳ ai cũng có thể tham gia, cho dù chúng ta là một chuyên gia dày dạn kinh nghiệm trong ngành vũ trụ hay một người có sở thích làm việc trong gara nhà mình. Nếu ai đó có tầm nhìn cho tương lai và một kế hoạch khả thi để đạt được điều đó thì NIAC rất mong nhận được phản hồi từ họ. Cách tiếp cận cởi mở này chính là chìa khóa để biến những giấc mơ tương lai thường thấy trong khoa học viễn tưởng thành hiện thực.

Theo [1], [2], [3].