Vì sao thiết kế một cái toilet hoạt động trong không gian lại khó đến vậy?

Artemis II vừa hoàn thành chuyến bay 10 ngày quanh Mặt Trăng với độ chính xác đáng nể, nhưng có một trục trặc nhỏ mà phi hành đoàn không thể giấu: đường ống xả nước tiểu bị tắc giữa hành trình. Câu chuyện nghe có vẻ hài hước này lại hé lộ một bài toán kỹ thuật rất lớn và là lý do tại sao mỗi sứ mệnh thử nghiệm vẫn không thể thay thế được.

Sứ mệnh thành công, nhưng cái toilet lại là vấn đề lớn

Khi tàu Orion rơi xuống Thái Bình Dương an toàn sau hành trình bay quanh Mặt Trăng, NASA có lý do để ăn mừng. Đây là lần đầu một nhóm phi hành gia rời quỹ đạo Trái Đất kể từ chương trình Apollo, và toàn bộ hệ thống Orion về cơ bản đã hoạt động đúng như tính toán. Nhưng tại buổi họp báo sau khi hạ cánh, chỉ huy nhiệm vụ Reid Wiseman thừa nhận có một thứ trên tàu không hoạt động hoàn hảo, dù theo lời ông, đó không phải lỗi của thiết bị.

“Tôi muốn nói thẳng 100% rằng đó là một cái toilet tuyệt vời. Toilet hoạt động tốt,” Wiseman khẳng định. Vấn đề nằm ở đường ống thoát hơi nước tiểu (urine vent line) có dấu hiệu bị tắc khoảng giữa hành trình. Nguyên nhân chưa rõ, có thể do nước tiểu đóng băng bên trong, cũng có thể do cặn của một loại phụ gia hóa học trong nước thải. NASA cho biết đội kỹ thuật sẽ phân tích dữ liệu trong vài tuần tới.



Một sự cố nghe có vẻ buồn cười, nhưng nó đặt ra một câu hỏi rất nghiêm túc: tại sao xả một bãi nước tiểu trong không gian lại khó đến vậy? Và dù khó, nhưng nhìn một cách khách quan và để thấy được mức độ khó của bài toán, anh em cần biết các phi hành gia Apollo đã đi vệ sinh thế nào: bằng những chiếc túi dùng một lần. Không có bồn cầu, không có cửa, không riêng tư. Hơn 50 năm trôi qua, các phi hành gia Artemis II đã được sử dụng Universal Waste Management System (UWMS), một dạng bồn cầu in 3D bằng titan, có cánh cửa đóng kín, cho phép đi tiểu và đại tiện cùng lúc. Nghe đơn giản, nhưng so với Apollo thì đây là sự xa xỉ thực sự.

Cũng cần nhớ một chi tiết quan trọng: đây là lần đầu tiên hệ thống này được dùng thật trong không gian. Theo Pablo de León, giáo sư ngành nghiên cứu không gian tại Đại học North Dakota, Artemis II về cơ bản là một chuyến bay thử nghiệm cho phần cứng và toilet là một phần của thử nghiệm đó. Nó là prototype, không phải sản phẩm hoàn thiện. Việc nó “gần như hoạt động hoàn hảo” đã là điều đáng nể.

Ngoài ra, Trạm Vũ trụ Quốc tế (ISS) cũng có toilet, và về kiến trúc khá giống cái trên Orion. Nhưng có một khác biệt then chốt: ISS tái chế nước tiểu thành nước uống. Còn Orion thì xả thẳng ra không gian. “Nhìn ra cửa sổ thấy nó là một thứ thú vị,” Wiseman kể. “Như một tỷ mảnh băng nhỏ bay vào vũ trụ sâu thẳm.” Lý do của việc xả là Orion bay ngắn ngày, không cần hệ thống tái chế phức tạp như ISS. Nhưng chính cơ chế xả này lại là nơi sự cố đã xảy ra và là phần phải được tinh chỉnh trước khi tính tới những sứ mệnh dài hơn.

Tại sao thiết kế toilet ngoài không gian lại khó

Đây mới là phần thú vị. Một cái toilet trên Trái Đất là một trong những thiết bị tưởng như đơn giản nhất trong nhà: không cần điện, không cần lập trình, chỉ cần nước và trọng lực. Nhưng đưa nó vào không gian, gần như mọi giả định đều bị phá vỡ.

Cốt lõi của vấn đề là trọng lực biến mất. Trên Trái Đất, anh em hiếm khi để ý rằng cà phê nằm yên dưới đáy cốc, mưa đọng thành vũng, và nước tiểu tự chảy xuống ống thoát, tất cả là nhờ trọng lực. Mason Peck, giáo sư kỹ thuật du hành không gian tại Đại học Cornell, nói rằng trong môi trường vi trọng lực, chất lỏng “chảy theo những cách rất khó đoán.” Không còn lực kéo “xuống,” chất lỏng không biết phải đi đâu.

Khi trọng lực biến mất, các lực khác lên ngôi: sức căng bề mặt, hình dạng ống dẫn, và cả chuyển động của con tàu đều có thể chi phối dòng chảy. Kỹ sư thường phải dùng luồng khí để đẩy nước tiểu đi qua hệ thống, nhưng khí trộn với chất lỏng lại sinh ra bong bóng bám vào thành ống. Theo de León, chính những bong bóng này tạo ra nguy cơ tắc nghẽn. Một thiết kế tưởng đơn giản trên giấy lại có hàng loạt cách “fail” trong thực tế.
View attachment 8538022
Thao tác nhấc ống dẫn nước tiểu trên hệ thống quản lý chất thải đa năng Universal Waste Management System (UWMS), thiết bị được thiết kế dành cho International Space Station, ra khỏi vị trí giá đỡ cố định

Thêm vào đó là điều kiện môi trường khắc nghiệt. “Các bạn nghĩ Nam Cực lạnh à? Trong không gian còn lạnh hơn,” Peck nói. “Và Sahara hay Mojave nóng? Trong không gian còn nóng hơn. Và sự chuyển đổi giữa nóng và lạnh có thể xảy ra trong vài phút.” Khi đường ống chứa nước tiểu phải đi qua những vùng nhiệt độ cực đoan như vậy, đóng băng là kịch bản hoàn toàn có thể xảy ra và đó cũng là một trong những giả thuyết NASA đang điều tra.

Vấn đề tiếp theo nằm ở giới hạn của thử nghiệm. Phòng lab trên Trái Đất có thể mô phỏng vi trọng lực trong vài chục giây bằng máy bay parabol, hoặc tái tạo chân không và nhiệt độ trong các buồng thử chuyên dụng. Nhưng theo Peck, những mô phỏng đó “không bao giờ hoàn hảo.” Có những hành vi của chất lỏng chỉ xuất hiện sau nhiều ngày trong môi trường thật, thứ mà không một sự mô phỏng nào nào tái tạo nổi. Nói cách khác, để biết toilet thực sự hoạt động, anh em phải bay nó lên đó và thử.

Cuối cùng, mọi thiết kế cho không gian đều bị bóp nghẹt bởi ba ràng buộc: khối lượng, an toàn, và độ tin cậy. Mỗi kilogram phóng ra ngoài không gian đều tốn kém, nên hệ thống toilet phải gọn và nhẹ. Nó phải an toàn, vì không ai muốn rò rỉ nước tiểu trong khoang kín. Và nó phải đáng tin cậy, vì giữa đường tới Mặt Trăng thì không có thợ sửa ống nước. Đây là một bài toán mà mỗi ràng buộc đều kéo nhau ngược chiều, và “đủ tốt” không bao giờ là đủ.

Kết luận

Tin tốt, theo Peck, là “giờ chúng ta đã học được từ kinh nghiệm này.” Tùy kết luận điều tra, các điều chỉnh có thể chỉ là thêm một bộ sưởi cho đường ống, hoặc tinh chỉnh luồng khí và nước trong ống dẫn, vốn là những thay đổi tương đối nhỏ. Như de León tổng kết: “Nếu bạn bay 400.000 km rồi quay về, và vấn đề duy nhất là việc xả nước tiểu không hoàn hảo, vậy thì hôm nay là một ngày tốt rồi.”


Artemis II được coi là thành công nhưng toilet là một vấn đề mở mà Artemis III cần phải giải quyết

Nhưng đó là góc nhìn của một sứ mệnh thử nghiệm. Tới Artemis III, chuyến bay được lên kế hoạch sẽ đưa con người đặt chân lên Mặt Trăng lần đầu tiên kể từ năm 1972, mọi thứ phải hoạt động ngon lành. Phi hành đoàn sẽ ở trên hoặc gần bề mặt Mặt Trăng nhiều ngày, sử dụng tàu đáp Starship HLS của SpaceX, và phụ thuộc vào hệ thống hỗ trợ sự sống ở mức cao hơn nhiều so với một chuyến bay ngang qua. Một đường ống tắc trên Artemis II là chuyện đáng cười sau khi hạ cánh. Nhưng cùng đường ống đó tắc trên Artemis III, khi phi hành gia đang cách Trái Đất gần 400.000 km và phải vận hành thiết bị suốt hơn một tuần ngoài quỹ đạo Mặt Trăng, sẽ là một câu chuyện hoàn toàn khác.

Đó cũng là điều thú vị về cách ngành du hành không gian học hỏi: không phải bằng cách viết phần mềm hoàn hảo trong văn phòng, mà bằng cách bay thật, fail thật, và sửa thật. Mỗi sứ mệnh thử nghiệm như Artemis II không thể bị thay thế bởi bất kỳ lần mô phỏng nào, vì có những vấn đề chỉ lộ ra khi anh em đang ở giữa hành trình tới Mặt Trăng và muốn đi vệ sinh.

Nguồn: Scientific American