Gần một nửa thế kỷ trước Neil Armstrong đã đi trên phi thuyền Apollo 11 nhờ các lên lửa đẩy để thực hiện chuyến bay lịch sử tới Mặt Trăng. Cho dù có nhiều cải tiến về mặt công nghệ thì phương thức di chuyển như vậy vẫn không thay đổi kể từ khi ngành công nghiệp hàng không vũ trụ ra đời cho tới hiện tại. Nhưng việc phóng các tàu và vệ tinh dựa vào tên lửa đẩy tồn tại rất nhiều nhược điểm về mặt kỹ thuật, độ an toàn cũng như tiêu tốn một lượng lớn kinh phí. Xuất phát từ thực tế đó, thời gian gần đây đã có nhiều phương án thay thế được đưa ra. Tinh tế đã từng giới thiệu với các bạn một dựa án của người Nhật nhằm đưa con người lên không gian bằng thang máy vào năm 2050. Thực tế, khoảng thời gian 40 năm nữa vẫn còn quá dài cho những ai đang đọc bài viết này có mong muốn du lịch vũ trụ bằng thang máy, nó là quà để dành cho con cháu chúng ta. Tuy nhiên bạn có thể hoàn toàn hy vọng điều đó trở thành hiện thực khi mới đây một công ty Mỹ có tên LiftPort đã đề xuất một chương trình xây thang máy không gian trên Mặt Trăng đầy tham vọng với mục tiêu hoàn thành trước năm 2020. Hiện dự án đã được tổ chức hỗ trợ sáng tạo Kickstarer giúp huy động đóng góp tài chính.
Lịch sử gần 120 năm của một ý tưởng từng bị cho là điên rồ
Thực tế, cả hai dự án xây thang máy nói trên không phải là đề xuất trong thời gian gần đây, nó là kết quả sáng tạo của những người tiên phong từ gần 120 năm trước. Giống như hàng loạt sản phầm hiện đại ngày nay đã từng xuất hiện trong những câu chuyện viễn tưởng của nhà văn Pháp Jules Verne, vào năm 1895 Konstantin Tsiolkovsky-người đặt nền móng cho ngành công nghiệp tên lửa đã khơi mào ý tưởng xây một tòa nhà cao để đi vào không gian. Ngày nay người ta gọi đó là tòa tháp Tsiolkovsky Tower, một chi tiết thú vị là đề nghị đó được đưa ra trước khi ông xuất bản các công trình về động cơ tên lửa phản lực đầu tiên. Tuy nhiên, ở thời điểm đó chưa có bản vẽ thực tế nào phác thảo một cấu trúc vừa cao, đồ sộ và đảm bảo nó không bị sụp do trọng lượng siêu nặng.
Thời gian trôi đi và người ta dần lãng quên ý tưởng của Tsiolkovsky cho đến năm 1959 khi một nhà khoa học Nga khác là Yuri N. Artsutavnov lật lại nó. Đáng tiếc các công trình vẫn không gây được sự chú ý vì vào thời đó Liên Xô rộng lớn nhưng lại khép kín, không có bản thảo tiếng Anh nào của các đề án được xuất bản ra thế giới. Một cách độc lập, vào các năm 1966 và 1979, thang máy không gian lại được các nhà khoa học Mỹ đề xuất. Con đường thuyết phục công chúng về công trình đầy tham vọng nhằm đưa nhân loại đến bầu trời một cách dễ dàng hơn tiếp tục được Sir Arthur C. Clarke theo đuổi trong bản thảo tiểu thuyết "Fountains of Paradise" (Suối nguồn trên thiên đường) vào năm 1979. Lúc đó ông dự đoán người ta sẽ im lặng và thôi cười nhạo nếu chiếc thang máy được hoàn thành trong vòng mười năm.
Những phác thảo kiến trúc theo thời gian
Trước năm 1970, một thiết kế sơ khai của thang máy không gian đã được thực hiện. Thay vì xây một tòa nhà cao như tòa tháp Tsiolkovsky, người ta dựng một dây cáp từ một điểm trên xích đạo ở mặt đất và đầu trên của nó được gắn vào một trạm vũ trụ có quỹ đạo bay giống như các vệ tinh địa tĩnh. Trong bản vẽ này, hai điểm đầu-cuối của tuyến cáp là vô cùng quan trọng vì điểm trên xích đạo và khoảng cách tới quỹ đạo địa tĩnh sẽ không thay đổi vị trí tương đối với nhau. Ở khoảng cách 144.000 km (phía trên trạm vũ trụ, bằng một nửa quãng đường từ Trái Đất tới Mặt Trăng), người ta treo một đối trọng để giữ cho dây cáp và trạm vũ trụ không bị thổi bay do lực ly tâm gây ra bởi chuyển động quay.
Để hình dung sự cân bằng ở trên, Tinhte.vn sẽ cùng bạn khám phá một bài toán vật lý cơ bản nhưng lại rất ý nghĩa trong trường hợp trên. Trước hết thế nào là một quỹ đạo địa tĩnh hay vệ tinh địa tĩnh? Như chúng ta đã biết các vệ tinh thông thường quay quanh Trái Đất với những quỹ đạo tròn khác nhau. Bây giờ nếu tưởng tượng chúng ta nối một đường thẳng giữa tâm hành tinh xanh và vệ tinh, nó sẽ cắt một điểm trên vỏ Trái Đất. Do Trái Đất tự quay quanh trục của mình nên trong một số trường hợp người ta thiết kế vệ tinh sao nó tương thích với sự quay đó để đường thẳng tạo bởi 3 điểm trên không thay đổi. Vệ mặt vật lý, khi đó vận tốc góc trong sự tự quay quanh trục của Trái Đất và vận tốc góc của vệ tinh là bằng nhau (xem hình dưới).
Một điều thú vị nữa là cho dù vệ tinh có nặng bao nhiêu đi chăng nữa, thì quỹ đạo địa tĩnh của nó là giống nhau tương ứng với bán kính 35.800 km. Không tin bạn có thể đặt bút tính một cách dễ dàng dựa vào định luật II Newton và định luật vạn vật hấp dẫn. Chúc các bạn thành công!
Thang máy sẽ quay như một vệ tinh địa tĩnh
Bây giờ tới bài toán thứ hai, tại sao các kiến trúc sư cần thiết kế một đối trọng ở trên. Trong sơ đồ trên, có hai lực tác dụng lên thang máy cũng như trạm vũ trụ là lực hút của Trái Đất và lực ly tâm. Các tính toán cho thấy với thiết kế ban đầu hai lực trên không đảm bảo hệ có thể bền vững, nên người ta cần treo thêm một vật nặng để các dây cáp được giữ thẳng nhưng lại không bị đứt, gãy.
Kiến trúc vừa chỉ ra có hai nhược điểm cố hữu. Thứ nhất việc xây dựng một sợi cáp dài 35.800 km như vậy là không thực tế. Chưa có vật liệu nào có cấu trúc đủ vững trãi để đáp ứng các nhu cầu khắt khe về độ bền trong trường hợp trên. Thép và Titan vẫn còn quá yếu, dây cáp cần dai và khỏe hơn từ 60 đến 200 lần so với các vật liệu này. Sợi thạch anh và kim cương cũng từng được đưa vào danh mục. Thậm chí mới đây là ống nano carbon (carbon nanotube) mang lại khá nhiều hữa hẹn, nhưng thực sự các kỹ sư còn phải dành rất nhiều thời gian để nghĩ cách xây dựng chúng.
Hơn nữa đối trọng đưa lên phải có kích thước tương đương với một quả núi nhỏ. Ngoài ra, không giống như các thang máy thường, một chiếc xe có nhiệm vụ vận chuyển sẽ chạy dọc dây cáp, năng lượng cung cấp cho nó được truyển trực tiếp hoặc không dây từ trạm vũ trụ, Trái Đất qua các chùm laser. Thực sự chiếc xe là một sản phẩm công nghệ siêu cao và cho tới thời điểm hiện tại nó còn quá lạ lẫm để chúng ta tưởng tượng được.
Bỏ qua các yếu tố trên, người ta còn phải xem xét các ảnh hưởng trong điều kiện độ cao vượt qua khỏi tầng khí quyển. Nhiệt độ cực thấp sẽ làm hỏng dầu mỡ bôi trơi, phá hủy vật liệu và các thiết bị điện tử. Đó là chưa kể những nguy hiểm đến từ các mảnh băng và bụi khi chúng bám hoặc va vào dây cáp.
Quảng cáo
LiftPort: chúng tôi hướng về Mặt Trăng
Để giải quyết những trở ngại trong việc xây thang máy không gian từ Trái Đất, công ty LiftPort quyết định thay đổi điểm đặt từ Trái Đất lên Mặt Trăng, và hứa hẹn dự án sẽ hoàn thành trước năm 2020. Trên ngôi nhà Hằng Nga không có khí quyển nên không phải lo lắng về vấn đề bám băng. Sức hút của Mặt Trăng cũng chỉ bằng 1/9 lần trên Địa Cầu, do đó vật liệu làm cáp đơn giản và dễ chế tạo hơn, hợp chất Kevlar thường dùng trong công nghiệp hàng không là quá đủ để đáp ứng. Hơn nữa do Mặt Trăng gần như không có vệ tinh tự nhiên và nhân tạo nào, cũng như tồn tại rất ít các đám bụi không gian vây quanh nên không phải lo lắng về vấn đề va chạm với các vật thể đó.
Hiện tại công ty huy động vốn trực tuyến Kickstarer đã quyên góp được 28.013 USD cho dự án của LiftPort, vượt xa số tiền dự kiến là 8000 USD và sau 15 ngày nữa chương trình sẽ kết thúc. Lý giải nguyên nhân tại sao lại đặt mục tiêu quên góp thấp như vậy, giám đốc của LiftPort cho biết, ý đồ của công ty là thông qua Kickstarer để thu hút sự quan tâm của công chúng tới chương trình không gian đầy tham vọng. Ông hi vọng số tiền ủng hộ cuối cùng vào khoảng từ 100.000 đến 3 triệu USD, khoản ngân quỹ như vậy sẽ giúp những bước nghiên cứu đầu tiên của kế hoạch được tiếp tục hoàn thiện.
Trước mắt, các nhà khoa học sẽ tìm tập trung xem xét các vật liệu phù hợp, đề xuất các phương thức vận chuyển phục vụ cho xây dựng như tên lửa và robot. Một phần quan trọng nữa là chọn địa điểm và phương án xây dựng trên Mặt Trăng. Trong các thử nghiệm sớm nhất, họ sẽ xem xét một thang máy 2 km với đầu trên cáp được giữ bằng các khí cầu khổng lồ. Nhiệm vụ điều chỉnh các yếu tố kỹ thuật sẽ do một robot có khả năng di chuyển ổn định trên dây cáp thực hiện. Khi thu hút được thêm các nhà đầu tư, LiftPort sẽ nâng chiều cao của dây cáp lên 5 km và phát triển robot leo tới độ cao 30 km.
Các thử nghiệm sớm nhất sẽ được tiến hành trong năm tới, và theo dự định việc xây dựng trên Mặt Trăng sẽ hoàn thành trước năm 2020.
Quảng cáo
