Với sự phát triển nhanh chóng của công nghệ vũ trụ, con người ngày càng có nhiều cơ hội khám phá vũ trụ hơn, nhưng những thách thức chủ yếu của các chuyến bay không gian vẫn đang tiếp tục cản trở giấc mơ bay xa hơn của con người.
Để đạt được mục tiêu bay xa hơn nữa, các nhà khoa học đã nghiên cứu một loạt các công nghệ mới và có những ý tưởng mới cho kế hoạch du lịch không gian trong tương lai. Mới đây, trang mạng "New Scientist" của Anh đã tiến hành giới thiệu và phân tích về 10 công nghệ không gian trong tương lai, đồng thời đánh giá khả năng thực hiện chúng. 10 công nghệ không gian tương lai mà các nhà khoa học cho rằng trong số chúng có những công nghệ có thể đạt được, nhưng cũng có một số công nghệ gần như không thể thực hiện được.
1. Công nghệ Ion đẩy
Tính khả thi: một vài năm hoặc sẽ đạt được
Các loại tên lửa truyền thống có thể phóng lên là do có ống xả khí tốc độ cao phụt ở phía sau. Ion đẩy cũng là áp dụng nguyên lý phản lực tương tự, nhưng nó nó không sử dụng nhiên liệu đốt cháy để sinh ra hơi nóng cao độ, mà nó là một loạt các hạt tích điện hoặc các ion được phóng ra. Có thể lực đẩy của nó tương đối yếu, nhưng điều quan trọng là ion đẩy cần nhiên liệu ít hơn nhiều so với một tên lửa thông thường. Miễn là tính năng của ion đẩy có thể duy trì ổn định lâu dài, cuối cùng nó sẽ có thể đẩy nhanh các tàu vũ trụ với một tốc độ cao hơn.
Công nghệ liên quan đến Ion đẩy đã được áp dụng cho một số tàu vũ trụ trong không gian, chẳng hạn như tàu thăm dò không gian "Hayabusa" của Nhật Bản và tàu không gian "SMART-1" của châu Âu, hơn nữa công nghệ đã có những tiến bộ rất lớn. Xa hơn trong tương lai, các tàu vũ trụ đầy triển vọng nhất trong du lịch không gian bên ngoài có lẽ là tên lửa ion VASIMR. Loại tên lửa này có hơi khác so với Ion đẩy thông thường. Ion đẩy phổ biến sử dụng một trường điện từ mạnh để đẩy nhanh các thể ion, mà tên lửa ion như VASIMR thì sử dụng máy phát tần số radio tăng nhiệt cho các ion nóng đến 1 triệu độ C. Trong từ trường mạnh, các ion quay với tần số cố định, điều chỉnh máy phán tần số vô tuyến đến tần số này, bơm năng lượng cực mạnh cho các ion, và không ngừng gia tăng lực đẩy. Thử nghiệm sơ bộ chứng minh, nếu mọi việc suôn sẻ, tên lửa ion VASIMR sẽ có thể đưa tàu vũ trụ có người lái lên sao Hỏa trong vòng 39 ngày.
2. Công nghệ đẩy xung lực hạt nhân
Tính khả thi: rất có khả năng đạt được, nhưng vô cùng nguy hiểm
Trong các loại công nghệ, theo cách nhìn thông thường, nguy hiểm nhất và liều lĩnh nhất phải nói đến công nghệ đẩy xung lực hạt nhân. Ý tưởng cơ bản của công nghệ đẩy xung lực hạt nhân chính là, đuôi của tên lửa ném ra một quả bom nguyên tử theo định kỳ để tạo ra lực đẩy. Ý tưởng kỳ quái này là do Cơ quan đặc trách kế hoạch nghiên cứu quốc phòng cao cấp của Bộ Quốc phòng Mỹ đưa ra. Kế hoạch nghiên cứu này mang tên "Kế hoạch Orion", đây là kế hoạch được Mỹ thực sự xem xét vào năm 1955. Mục tiêu của kế hoạch là để nghiên cứu một chương trình du lịch tốc độ nhanh giữa các vì sao. Trong chương trình được Cơ quan đặc trách kế hoạch nghiên cứu quốc phòng cao cấp cuối cùng đưa ra, tên lửa đẩy được thiết kế thành một máy “giảm xóc” lớn, hơn nữa còn có tấm lá chắn bức xạ để bảo vệ sự an toàn của hành khách.
Chương trình này có vẻ khả thi, nhưng nó có thể gây nguy hiểm phóng xạ cho tầng khí quyển. Do đó, vào thập niên 60 của thế kỷ 20, kế hoạch này thực sự cuối cùng không được thực hiện. Mặc dù có nhiều mối lo ngại, một số người vẫn đang tiếp tục nghiên cứu động cơ đẩy xung lực hạt nhân. Về lý thuyết, tốc độ tàu vũ trụ động cơ hạt nhân có thể đạt 10% tốc độ ánh sáng. Với tốc độ này thì đến hằng tinh gần nhất có thể cần 40 năm.
3. Tên lửa nhiệt hạch hạt nhân
Tính khả thi: Có khả thi, nhưng ít ra cũng phải sau hàng chục năm.
Công nghệ bay không gian dựa vào động cơ hạt nhân hoàn toàn không phải chỉ có công nghệ đẩy xung lực hạt nhân, mà còn có phương thức sử dụng năng lượng hạt nhân khác. Ví dụ, tên lửa được lắp đặt một lò phản ứng phân hạch để tạo ra phản lực nhiệt hạch, từ đó tạo ra lực đẩy.
Trong các phản ứng hạt nhân tổng hợp, hạt nhân được nén tổng hợp từ đó sinh ra năng lượng to lớn. Hầu hết các lò phản ứng nhiệt hạch được sử dụng tokamax kiểm soát nhiên liệu trong một từ trường để điều chỉnh phản ứng tổng hợp. Nhưng, tokamak rất nặng, hoàn toàn không thích hợp với tên lửa. Do đó, tên lửa động cơ hạt nhân tổng hợp chắc chắn phải áp dụng một phương pháp khác gây ra phản ứng tổng hợp, đó là phản ứng hạt nhân tổng hợp hạn chế quán tính. Việc thiết kế này dùng tia năng lượng cao (thường là tia laser) để thay thế từ trường của tokamak. Khi các phản ứng nhiệt hạch xảy ra, từ trường tiếp tục dẫn các ion xịt vào đuôi tên lửa, tạo ra lực đẩy tên lửa động cơ hạt nhân tổng hợp.
4. Động cơ phản lực Busade
Tính khả thi: Có thách thức rất lớn về công nghệ.
Tất cả các tên lửa đẩy, bao gồm cả tên lửa nhiệt hạch hạt nhân, đều tồn tại một vấn đề hóc búa mấu chốt tương tự. Để thực hiện được mục tiêu nhanh hơn và xa hơn, tên lửa phải mang theo nhiều nhiên liệu hơn, mà nhiều nhiên liệu hơn thì chắc chắn tăng trọng lượng của tên lửa, tiến tới làm giảm lực đẩy. Nếu muốn đi du lịch giữa các vì sao, chắc chắn bạn phải tránh xa tình trạng đó. Vậy là, vào năm 1960, nhà vật lý Robert Busade đề xuất một động cơ phản lực, và động cơ phản lực Busade có thể giải quyết vấn đề này.
Nguyên lý của động cơ phản lực Busade cũng giống như tên lửa nhiệt hạch hạt nhân, nhưng nó hoàn toàn không cần phải mang đủ nhiên liệu hạt nhân. Nguyên lý làm việc của nó là: Đầu tiên là tiến hành ion hóa các chất hydrogen trong không gian xung quanh, sau đó sử dụng từ trường mạnh để hấp thụ các ion hydro làm nhiên liệu. Tuy chương trình động cơ phản lực Busade không có vấn đề như lò phản ứng như trong tên lửa nhiệt hạch hạt nhân, nhưng vấn đề mà nó phải đối mặt là vấn đề mức độ từ trường. Do vật chất hydrogen trong không gian giữa các vì sao rất ít, vì vậy từ trường của nó phải đủ rộng mới có thể thực hiện được, thậm chí phải được mở rộng đến hàng ngàn km. Trừ khi nó được tiến hành tính toán chi tiết trước khi phóng, thiết kế được quỹ đạo chính xác của các chuyến bay tàu vũ trụ, như vậy sẽ không cần mang theo nhiều nhiên liệu, cũng không cần từ trường lớn nữa. Tuy nhiên, ý tưởng này có nhược điểm là tàu vũ trụ phải được vận hành theo quỹ đạo đã thiết lập, không thể bay lệch ra bên ngoài, hơn nữa hành trình trở về từ hành tinh khác sẽ trở nên khó khăn hơn.
5. Công nghệ đẩy sử dụng năng lượng mặt trời
Tính khả thi: là hoàn toàn có tính khả thi, nhưng thích ứng với không gian có hạn chế.
Đây là một công nghệ cần phải mang theo đủ nhiên liệu, vì vậy về lý thuyết có thể đạt tốc độ rất cao, nhưng nó thường đòi hỏi một khoảng thời gian mới có thể hoàn thành được mục tiêu này. So với truyền thống sử dụng sức gió để điều khiển tàu thuyền, “lưới” mặt trời sẽ hút năng lượng từ tia nắng mặt trời. Hiện nay, công nghệ đẩy năng lượng mặt trời đã được thử nghiệm thành công trong buồng chân không trên trái đất.
Tuy nhiên, việc tiến hành thử nghiệm trong không gian vẫn chưa thành công. Ví dụ, trong năm 2005, Hiệp hội Hành tinh Mỹ - tổ chức khoa học vũ trụ nghiệp dư lớn nhất thế giới đã nghiên cứu chế tạo ra một con tàu vũ trụ “Universe 1”, tên lửa mang theo “lưới” mặt trời của nó đã bị rơi do sự cố gây ra.
Mặc dù trong giai đoạn đầu của công nghệ tồn tại rất nhiều vấn đề, nhưng “lưới” mặt trời vẫn là một công nghệ không gian rất hứa hẹn trong tương lai. Ít nhất là nó có thể đảm bảo các chuyến bay trong hệ mặt trời, ánh sáng mặt trời có thể cung cấp nó lực đẩy mạnh nhất. Trong tương lai, con người sẽ có thể chủ yếu sử dụng năng lượng mặt trời để đi du lịch giữa các vì sao.
6. Công nghệ đẩy lưới từ trường
Tính khả thi: chỉ thích hợp các chuyến bay không gian có khoảng cách gần, như trong hệ mặt trời.
Sự khác biệt với lưới mặt trời là, lưới từ trường do gió mặt trời tạo ra lực đẩy, chứ không phải là do tia nắng tạo nên. Gió mặt trời là một dòng hạt mang điện có từ trường. Các nhà khoa học đề xuất, xung quanh tàu vũ trụ tạo ra một từ trường đối lập với từ trường gió mặt trời, như vậy sẽ có thể sử dụng lực đối lưu của từ trường để đẩy tàu vũ trụ bay trong không gian. Một công nghệ tương tự còn có công nghệ "mạng nhện không gian", nó tạo ra lưới điện xung quanh tàu vũ trụ, nó có thể đẩy lượng lớn ion dương trong gió mặt trời, từ đó có được lực đẩy.
Cho dù là lưới từ trường, hay là công nghệ "mạng nhện không gian" thì đều phải sử dụng từ trường để "lướt sóng", lực từ trường làm cho tàu vũ trụ có thể thay đổi quỹ đạo, thậm chí rời khỏi không gian giữa các hành tinh. Lưới mặt trời hay lưới từ tường đều không thích hợp cho việc đi du lịch giữa các hành tinh. Khi chúng rời xa mặt trời, cường độ tia mặt trời và gió mặt trời đều nhanh chóng giảm mạnh. Vì vậy, nó không đủ lực đẩy để đi sang hành tinh khác.
7. Công nghệ đẩy Laser
Tính khả thi: Còn có những thách thức lớn về kỹ thuật.
Do mặt trời không đủ để đẩy tàu không gian, các nhà khoa học đã đưa ra công nghệ đẩy laser, việc sử dụng chùm tia laser cực lớn sẽ đẩy tàu vũ trụ vào không gian, công nghệ đó chính là công nghệ "đốt cháy laser". Cái gọi là "đốt cháy laser" chính là việc sử dụng tia laser cực mạnh để bào mòn hết kim loại đặc biệt của đuôi tàu vũ trụ, kim loại dần dần bốc hơi và tạo ra lực đẩy.
Một loại công nghệ tương tự khác đó là công nghệ lưới mặt trời do nhà vật lý và tiểu thuyết khoa học viễn tưởng Gregory Benford đưa ra, tức là lắp đặt lưới mặt trời vào tàu vũ trụ. Trên lưới mặt trời có phủ một lớp sơn đặc biệt. Phát ra một chùm vi sóng trên mặt đất, chùm vi sóng này đốt cháy lớp sơn đặc biệt sinh ra các phân tử tạo nên lực đẩy. Công nghệ này có lẽ sẽ làm cho việc đi du lịch giữa các hành tinh trở nên nhanh hơn.
Công nghệ đẩy Laser cũng có nhiều thách thức đáng kể. Thứ nhất, các tia laser phải tập trung vào tàu vũ trụ thật chính xác, mặc dù khoảng cách xa hơn, chùm tia laser cũng không thể có bất cứ sai sót nào. Nếu không, tàu vũ trụ sẽ gặp nạn do không đủ năng lượng. Thứ hai, công suất do các tia laser sinh ra phải siêu mạnh. Trong một số trường hợp, năng lượng cần thiết cho nó có thể cao hơn rất nhiều so với tất cả năng lượng hiện nay của con người.
8. Công nghệ biến thể không gian – thời gian
Tính khả thi: không có nhiều khả năng.
Năm 1994, nhà vật lý của Đại học Wales Miguer Aerkubilie đã đưa ra công nghệ sử dụng vật chất giữa các hành tinh. Trong ý tưởng này, lực đẩy tàu vũ trụ chủ yếu do vật chất “ngoài trái đất” (loại vật chất hiện nay chưa được phát hiện) cung cấp. Đây là một loại hạt có chất lượng và áp lực ngược. Nó có thể “bóp méo” thời gian và không gian, từ đó làm cho tàu vũ trụ nhanh chóng đến gần không gian phía trước, còn không gian phía sau lại không ngừng mở rộng. Tàu vũ trụ giống như đang ở trong một quả bong bóng ngày càng phình to và có thể bay nhanh hơn tốc độ ánh sáng, hơn nữa nó cũng sẽ không đi ngược lại nguyên lý của thuyết tương đối.
Tuy nhiên, ý tưởng công nghệ của Aerkubilie tồn tại rất nhiều vấn đề. Trước tiên, để duy trì sự biến đổi thời gian và không gian này, cần phải có năng lượng rất lớn, loại năng lượng này có thể đều lớn hơn toàn bộ năng lượng của cả vũ trụ. Thứ hai, cỗ máy này có thể phóng ra lượng lớn bức xạ, đe dọa nghiêm trọng đến an toàn sinh mạng của hành khách tàu vũ trụ. Ngoài ra, “vật chất ngoài trái đất” có tồn tại hay không thì đến nay vẫn chưa được xác định. Vì vậy, về mặt vật lý học, rất khó có thể tạo ra được quả bong bóng biến thể này.
9. Công nghệ sử dụng hố đen
Tính khả thi: hoàn toàn không có khả năng.
Do có người đã nghĩ đến sự biến thể không-thời gian, do đó có nhà khoa học đã nghĩ “đường hầm không - thời gian”. Họ tin rằng, có thể sử dụng "wormhole" (hố giun, hố đen) có thể thực hiện được ý tưởng này. Khái niệm về “hố giun” được đề xuất bởi nhà vật lý nổi tiếng người Mỹ John Wiley Harrell đưa ra, có nghĩa là trong vũ trụ có thể tồn tại hai đường hầm hẹp liên tiếp của không-thời gian khác nhau. Vấn đề chính ở đây là, “hố giun” có thực sự tồn tại? Nếu có, chúng ta có thể đi xuyên qua được không? Tuy nhiên, những vấn đề này đến nay vẫn chưa có câu trả lời. Có thể giống với vật chất “ngoài trái đất” như trên, “hố giun” hoàn toàn không tồn tại.
Trong thập niên 90 của thế kỷ 20, nhà vật lý S. Kafelnikov cũng đã đề xuất một khái niệm “wormhole” khác. Tuy nhiên, tất cả các lý thuyết “wormhole” đều không thể cung cấp bằng chứng xác thực về sự tồn tại của “hố giun”, càng không thể đề xuất được phương án thực tế nào về việc đi xuyên qua không-thời gian. Nếu các nhà khoa học có thể tìm thấy câu trả lời, thì tốc độ của tàu vũ trụ sẽ không chỉ là khái niệm tốc độ của ánh sáng.
10. Công nghệ không gian đa chiều
Tính khả thi: là rất khó hiểu.
Chúng ta thường có thể nhìn thấy không gian thường là ba chiều. Tuy nhiên, nhà vật lý người Đức Wilhelm Bernhard Buck cho rằng, nếu vũ trụ có số lượng chiều không gian nhiều hơn, thì các phi thuyền có thể xuyên qua chúng và đạt được tốc độ cực lớn.
Tàu vũ trụ siêu tốc có thể bay đến mặt trăng trong vài phút, bay đến sao Hỏa chỉ cần 2,5 giờ, để đến được thiên hà Alpha Centauri chỉ cần 80 ngày. Tuy nhiên, ý tưởng này thật khó hiểu, lý thuyết của Wilhelm chưa bao giờ được các đồng nghiệp công nhận.