Báo cáo nghiên cứu mới: Với công nghệ du hành Vũ trụ và vật liệu hiện tại, ta đã có thể làm thang máy không gian

Chướng ngại vật lớn nhất ngăn chúng ta vươn tới các vì sao chính là lực hấp dẫn của Trái Đất: đây là bài toán đầu tiên cần phải giải quyết nếu như một quả tên lửa muốn lên không trung. 

Để thoát được lực hút của mặt đất, một con tàu sẽ phải tạo ra một lượng lớn lực đẩy, để có thể nâng khối lượng của cả quả tên lửa, kiện hàng trên đó, và cả lượng nhiên liệu khổng lồ cần có để bay được lên quỹ đạo.

Chính vì lý do đó, chi phí để đặt một kilogram vật liệu lên quỹ đạo thường rất cao. Lên quỹ đạo đã tốn kém rồi, huống chi vươn tới Mặt Trăng hay xa hơn nữa, nên giới khoa học vẫn tìm cách giảm thiểu chi phí du hành không gian xuống hết mức có thể. Dù ta đã có được tên lửa tái chế của Elon Musk, nhưng từ xa xưa, ta đã nghĩ ra một phương cách rất khác để lên quỹ đạo với giá rẻ.

Đó là một hệ thống thang máy không gian, một chiếc hộp nhỏ được treo bằng cáp, cho phép phi hành gia có thể leo lên Vũ trụ tương tự với cách lên tầng cao của một trung tâm thương mại. Một thang máy không gian có thể vận hành bằng năng lượng Mặt Trời, nên sẽ không cần tới nhiên liệu đắt đỏ.

Ý tưởng lớn sẽ đi kèm với vấn đề lớn. Một sợi cáp giữ được thang máy không gian sẽ phải chắc chắn vô cùng. Người ta có thể nghĩ tới ống nano carbon, một thứ vật liệu mà nếu cấu thành được một sợi dây đủ dài, thì thang máy không gian chỉ là chuyện nhỏ. Thế nhưng ngoài ống nano carbon, ta vẫn chưa có được thứ vật liệu nào khác hợp với một sợi cáp không gian.

Và đó chính là lý do tại sao mấy hôm nay, giới khoa học lại xôn xao khi Penoyre và Sandford đưa ra ý tưởng mới, một hệ thống thang máy không gian (thứ được họ gọi là “đường dây không gian - spaceline”) được chế tạo từ những thứ vật liệu sẵn có thời nay.

Thang máy không gian là thứ phương tiện kỳ diệu gì?

Đúng như cái tên của nó đã mô tả: đây sẽ là một hệ thống thang máy đưa người ta lên quỹ đạo một cách dễ dàng, đã đến lúc phải quên đi quả tên lửa đầy rủi ro và phức tạp! Thang máy không gian sẽ cần một đường cáp với một đầu gắn chặt xuống đất, vươn cao hơn quỹ đạo địa tĩnh (điểm cao 35.786 km so với mặt đất, cho phép vệ tinh bay quanh quỹ đạo khớp với vòng quay của Trái Đất).

Một sợi cáp như vậy sẽ có khối lượng khổng lồ. Để giữ cho nó đứng thẳng, đầu cáp bên kia cũng phải được treo một khối lượng đối trọng đủ lớn. Sau khi có được hai điểm dựa, toàn bộ hệ thống thang máy sẽ đứng thẳng bằng lực ly tâm Trái Đất tạo ra khi quay.

Về cơ bản, một hệ thống thang máy không gian có 4 phần:

- Móng cố định cáp đặt trên mặt đất.

- Đường cáp dài kéo từ mặt đất lên quỹ đạo.

- Đối trọng để giữ cáp căng ở mọi lúc, đối trọng có thể là một trạm Vũ trụ luôn.

- Thiết bị chứa hành khách/hàng hóa, để đưa họ/chúng lên quỹ đạo.

Ảnh cắt ra từ video của Kurzgesagt .

Nhiều năm trời, các nhà khoa học, các cây bút viết truyện giả tưởng, những người mang trong đầu ý tưởng của tương lai bắt tay vào tính toán con số chính xác của các lực cần có trong một hệ thống thang máy không gian, để rồi ai cũng phải ngậm ngùi gạt đi khi thấy kết quả. 

Những lực xuất hiện quá lớn, không vật liệu làm cáp nào chịu nổi; tất cả những thứ được đặt lên bàn cân như tơ nhện, sợi tổng hợp kevlar, thậm chí cả sợi carbon cũng không đủ cứng cáp.

Penoyre và Sandford nghĩ theo một hướng khác. Thay vì đặt đầu cáp cố định trên Trái Đất, họ đưa ra ý tưởng đặt đấu cáp này lên Mặt Trăng, rồi treo lơ lửng cái thang hướng xuống Trái Đất.

Khác biệt lớn nằm tại lực ly tâm. Một thang máy không gian với móng đặt tại Trái Đất sẽ phải quay xong một vòng mỗi 24 giờ, do tốc độ quay của nó đồng bộ với Trái Đất. Thế nhưng một thang máy không gian có móng đặt tại Mặt Trăng sẽ cần tới một tháng để hoàn thành một vòng quay quanh quỹ đạo, tốc độ chậm tỷ lệ thuận với lực tác động lên hệ thống nhỏ hơn.

Hơn nữa, phân bố lực trên toàn bộ hệ thống cũng sẽ khác. Bằng việc đặt móng thang máy trên Mặt Trăng rồi hướng về Trái Đất, đường thang sẽ đi qua một khu vực đặc biệt mà tại đó, lực hấp dẫn của Trái Đất và Mặt Trăng sẽ loại bỏ lẫn nhau.

Khu vực này có tên điểm Lagrange, là một vị trí trong không gian nơi lực hấp dẫn của hai vật thể khổng lồ, ví dụ như Trái Đất và Mặt Trăng hay Mặt Trời và Trái Đất, bằng với lực ly tâm của một vật thể thứ ba nhỏ hơn rất nhiều. Điểm Lagrange chính là yếu tố làm nên thang máy không gian. Dưới điểm này, lực hấp dẫn sẽ kéo cáp về phía Trái Đất, trên điểm này, cáp sẽ bị lực hấp dẫn của Mặt Trăng kéo về.

Penoyre và Sandford lại một lần nữa chỉ ra rằng đường cáp kéo từ Mặt Trăng về Trái Đất cũng sẽ tạo ra những lực quá lớn, quá sức với vật liệu hiện tại con người đang sở hữu. Thế nhưng sợi cáp không cần phải chạm tới bề mặt Trái Đất thì mới làm được thang máy.

Kết quả chính của báo cáo nghiên cứu còn cho thấy với những vật liệu cứng cáp và bền chắc nhất Trái Đất - đơn cử như Zylon, một loại carbon polymer, ta có thể treo thang máy lên Mặt Trăng rồi treo nó lơ lửng trong quỹ đạo địa tĩnh. Theo tính toán của hai nhà nghiên cứu, chỉ cần vài tỷ USD là có thể tạo ra một hệ thống thử nghiệm với một sợi cáp dày tương đương ruột bút chì, để chứng minh thang máy không gian hoạt động được.

Dự án thang máy mang đầy tham vọng, nhưng không phải bất khả thi với công nghệ du hành không gian ta đang có. “Bằng việc kéo một đường cáp được cố định một đầu tại Mặt Trăng, rồi thả xuống khu vực bị ảnh hưởng bởi lực hấp dẫn của Trái Đất, ta sẽ có thể tạo ra một đường cáp ổn định, cho phép di chuyển dễ dàng từ Trái Đất lên bề mặt Mặt Trăng”, báo cáo khoa học viết.

Chi phí chế tạo thang máy không gian cũng thấp hơn so với công nghệ tên lửa ta đang có. “Nó sẽ giảm lượng nhiên liệu cần thiết để lên Mặt Trăng xuống còn ⅓ chi phí hiện tại”, Penoyre và Sandford viết.

Chưa hết, dự án này còn mở ra một chương mới cho khám phá không gian, đó chính là nghiên cứu kỹ điểm Lagrange và những lợi ích của nó. Tại vị trí đắc địa này, cả lực hấp dẫn lẫn gradien lực hấp dẫn đều bằng không, cho phép ta dễ dàng tiến hành các dự án xây dựng tại đây.

“Nếu như bạn đánh rơi một thứ gì đó từ Trạm Vũ trụ Quốc tế, bạn sẽ thấy nó trôi đi ngày một xa bạn. Điểm Lagrange lại có gradien lực hấp dẫn rất nhỏ, khiến cho đồ vật tuột khỏi tay sẽ bay gần tay bạn một khoảng thời gian dài hơn nhiều”, báo cáo khoa học chỉ ra. Hơn nữa, do ta chưa khai phá lợi ích của điểm Lagrange, nên nơi đây không chứa nhiều rác thải Vũ trụ thải ra từ những sứ mệnh trước.

Vì những ích lợi này, Penoyre và Sandford cho rằng điểm Lagrange chính là “điểm tựa” cho thang máy không gian của họ.

“Chúng tôi tin trạm không gian đặt tại điểm Lagrange chính là nền móng quan trọng nhất, có sức ảnh hưởng nhất tới tương lai của thang máy không gian (và việc khám phá không gian của nhân loại nói chung”, hai nhà nghiên cứu nhận định. “Trạm sẽ là nơi thực hiện những thí nghiệm không gian của thế hệ mới - ta có thể tưởng tượng ra kính viễn vọng, máy gia tốc hạt, máy phát hiện sóng hấp dẫn, khu vực nuôi nhốt sinh vật, máy phát điện hay là bàn đạp cho các sứ mệnh quanh Hệ Mặt Trời trong tương lai”.

Góc thực tế

Dự án thang máy không gian mới tận dụng những yếu tố tự nhiên sẵn có như điểm Lagrange và Mặt Trăng, khiến chi phí xây dựng rẻ đi nhiều, bên cạnh đó ta cũng đã sẵn vật liệu để làm được sợi cáp thang máy kia. Thế nhưng, một dự án lớn như vậy - nếu thành công, đây SẼ là dự án xây dựng lớn nhất, huy hoàng nhất lịch sử nhân loại - cũng sẽ đi kèm những vướng mắc lớn.

- Dễ thấy nhất, ta cần một lượng nguyên vật liệu khổng lồ để làm được đường cáp dài đến vậy, chưa kể trạm không gian và trạm Mặt Trăng.

- Nhân tiện nói tới cáp: cáp phải bền chắc vô cùng để có thể treo được thang máy, đủ dẻo dai chống lại bức xạ Vũ trụ, đủ cứng cáp để tránh được va đập có thể có với thiên thể hay rác thải có trên quỹ đạo.

- Năng lượng đưa thang máy lên xuống dọc đường cáp sẽ là gì? Năng lượng hạt nhân, nhiệt điện hay năng lượng từ ánh sáng Mặt Trời?

- Một đường cáp lớn như vậy mà … đứt thì hậu quả sẽ khó lường. Ta chỉ có một lần làm duy nhất, một cơ hội thôi .

Cái ngày có được một hệ thống thang máy không gian có lẽ vẫn còn hơi xa, nhưng chặng đường nào cũng có bước đầu tiên. Có khi chính báo cáo khoa học này lại là bước đi vĩ đại đang được nhân loại mong chờ.