Gần đây, các nhà thiên văn đã đưa ra những bằng chứng rõ ràng về hành tinh "Trái đất thứ hai" quay xung quanh Proxima Centauri - ngôi sao nằm gần với Mặt trời nhất - là hành tinh "kỳ lạ" mới được tìm thấy gần đây. Mặc dù hệ thống các ngôi sao là "hàng xóm" vũ trụ của chúng ta nhưng khoảng cách từ Trái đất của chúng ta đến chúng khoảng 4,2 năm ánh sáng hoặc 25 nghìn tỷ dặm tính. Với khoảng cách này, liệu rằng chúng ta có thể đi tới hành tinh "mới được phát hiện" này không?
Những ngôi sao nằm gần nhất cũng phải mất đến hàng chục nghìn năm bay bằng tàu vũ trụ thông thường. (Nguồn ảnh: Adrian Mann).
Ngay cả những ngôi sao nằm gần nhất cũng phải mất đến hàng chục nghìn năm bay bằng tàu vũ trụ thông thường mới có thể đến được, sử dụng các thiết bị máy móc thăm dò như hiện nay để khám phá hệ Mặt trời. Những con tàu vũ trụ này được điều khiển bằng sự kết hợp của các tên lửa hóa học, chuyển động ion lực đẩy thấp và các quỹ đạo hỗ trợ trọng lực - được gọi là "cuộc diễn tập súng cao su" quanh Mặt trời hoặc các hành tinh lớn để cung cấp cho chúng một "vụ nổ" lớn về tốc độ.
Nhưng nếu muốn thực hiện một chuyến du hành bên ngoài hệ Mặt trời, chúng ta sẽ cần những con tàu vũ trụ đi nhanh hơn một chút - như tên lửa nhiệt hạch khổng lồ Project Daedalus kết hợp với tên lửa Saturn V của NASA - giống trong hình minh họa trên được tạo bởi kỹ sư đồ họa và nghệ sĩ không gian Adrian Mann, nhiệm vụ của họ là đưa ra những đặc điểm công nghệ không gian trong tương lai.
Dưới đây là 7 cách mà robot hay thậm chí là các nhà thám hiểm có thể tiếp cận được tới hệ thống ngôi sao chủ Proxima Centauri hay các khu vực vũ trụ lân cận khác.
1. Tàu vũ trụ Daedalus
Dự án thực hiện 5 năm đã đưa ra thiết kế tàu vũ trụ Daedalus. (Nguồn ảnh: Adrian Mann).
Dự án Daedalus là một khái niệm thiết kế về bộ cảm biến giữa các vì sao đã phát triển ở những năm 1970 bởi một nhóm chuyên gia kỹ thuật của Liên hành tinh Anh quốc (British Interplanetary Society). Điểm đến là ngôi sao của Barnard - một ngôi sao lùn đỏ cách chúng ta khoảng 6 năm ánh sáng, có nhiều đặc điểm giống với ngôi sao chủ Proxima Centauri - nơi mà các nhà thiên văn học hiện nay báo cáo rằng họ đã tìm thấy những ký hiệu về một hành tinh có sự sống. Khi trình bày về dự án Daedalus, một số nhà thiên văn học cho rằng một hành tinh khí khổng lồ có thể nằm trong quỹ đạo quay quanh ngôi sao Barnard, nhưng kể từ sau đó, không có hành tinh nào được tìm thấy trong hệ thống những ngôi sao.
Dự án thực hiện 5 năm đã đưa ra thiết kế tàu vũ trụ Daedalus - gồm hai tầng, 54.000 tấn tên lửa hạt nhân sẽ làm tăng khoảng 12% tốc độ ánh sáng so với máy thăm dò robot 400 tấn. Điều này giúp máy thăm dò thực hiện chuyến du hành dài 6 năm ánh sáng đến ngôi sao Barnard dài khoảng 50 năm.
Các tên lửa của tàu vũ trụ Daedalus được hỗ trợ bởi nhiệt hạch hạt nhân và sử dụng chùm tia điện tử để kích nổ luồng đạn có nhiên liệu heli-3 - có thể khai thác từ bề mặt của Mặt trăng. Thậm chí, các động cơ sẽ tiêu thụ hết hàng chục nghìn tấn nhiên liệu để tàu vũ trụ có thể bay với tốc độ tối đa trong 4 năm, bởi vì ở đó không có bất kỳ nhiên liệu nào dự trữ cả. Kết quả cuối cùng là chuyến du hành 50 năm sẽ chỉ mất 70 giờ bay bằng tàu vũ trụ để đến được hệ thống "mục tiêu", trước khi tàu vũ trụ đạt tốc độ bay vào không gian liên sao.
Nhà khoa học Ian Crawford - giáo sư về khoa học hành tinh và sinh vật học vũ trụ tại trường Đại học Birkbeck ở Vương quốc Anh có nói: "Tàu vũ trụ Daedalus quá lớn để có thể cất cánh từ bề mặt Trái đất, vì vậy nó sẽ được xây dựng trên quỹ đạo - có nghĩa là tàu vũ trụ Daedalus không thể tạo ra được nếu thiếu quy mô xây dựng trong không gian - thứ mà hiện nay chưa có".
Giáo sư Crawford cho rằng khoa học đằng sau khái niệm dự án Daedalus hiện nay dễ hiểu hơn khi tàu vũ trụ được thiết kế. Ông cho biết: "Chi phí chế tạo và những thách thức công nghệ kỹ thuật rất lớn - có nghĩa là nó sẽ mất nhiều hơn 100 năm để có thể tạo ra một thứ gì đó giống như Daedalus đặt tại các ngôi sao".
2. Tàu vũ trụ Icarus
Tàu vũ trụ Icarus được thiết kế để tiến tới bất kỳ ngôi sao nào nằm cách Trái đất khoảng 22 năm ánh sáng. (Nguồn ảnh: Adrian Mann).
Từ những năm 1970, các khái niệm về tàu vũ trụ Daedalus là nguồn cảm hứng cho tàu vũ trụ Icarus, một dự án liên tục được bàn bạc bởi Liên hành tinh Anh quốc và tổ chức liên sao Icarus - mạng lưới quốc tế của các nhà khoa học, kỹ sư và những người đam mê - tất cả đều hy vọng phát triển năng lực tiềm tàng trong chuyến bay vũ trụ giữa các vì sao vào năm 2100.
Tàu vũ trụ Icarus được thiết kế để tiến tới bất kỳ ngôi sao nào nằm cách Trái đất khoảng 22 năm ánh sáng - hành tinh có thể sinh sống được - nghĩa là nếu xác định được một hành tinh nằm quanh ngôi sao Proxima Centauri thì nó có thể trở thành một điểm đến mong muốn.
Crawford nói: "Mục đích của dự án Icarus là cập nhật các thiết kế của Daedalus cùng với một số ý tưởng mới và công nghệ mới. Một trong những cải tiến được đề xuất có những động cơ tên lửa nhiệt hạch sử dụng các nhiên liệu hạt nhân khác nhau được kích nổ bởi máy phát lượng tử ánh sáng thay thế cho chùm điện tử - một kỹ thuật công nghệ được thể rút ra từ những tiến bộ gần đây trong việc đánh lửa laze tại Phòng thí nghiệm Ignition quốc gia (National Ignition Facility) của Phòng thí nghiệm quốc gia Lawrence Livermore ở California".
Máy thăm dò Icarus có kích thước nhỏ hơn so với máy thăm dò 400 tấn được đề xuất trong tàu vũ trụ Daedalus, nhờ tiến bộ trong việc thu nhỏ điện tử - robot và các công nghệ nano trong tương lai - có nghĩa là tàu vũ trụ sẽ mang ít nhiên liệu hơn nhưng vẫn có thể đạt được tốc độ tối đa.
3. Tàu vũ trụ Light-sail
Tàu vũ trụ light-sail điều khiển bằng laze là bước đầu trong dự án Breakthrough Starshot. (Nguồn ảnh: Adrian Mann).
Crawford nói: "Lời dự đoán chính xác nhất của chúng tôi về chuyến du hành vũ trụ là có thể không cần sử dụng một tên lửa. Những cánh buồm phát sáng sử dụng áp suất của ánh sáng để đẩy một trọng tải - đã và đang được xem xét dùng trong máy thăm dò không gian liên hành tinh. Năm 2010, cuộc thử nghiệm về tàu vũ trụ IKAROS của Nhật Bản đã sử dụng thành công tàu vũ trụ light sail rộng 20 mét để diễn tập 6 tháng trong chuyến du hành đến sao Kim".
Mặc dù cánh buồm phát sáng được điều chỉnh bằng ánh sáng mặt trời - một cách hiệu quả để khám phá ra hệ thống năng lượng mặt trời nhưng chúng không đủ nhanh để có thể che phủ được khoảng cách liên sao trong một khoảng thời gian hợp lý.
Crawford nói: "Câu trả lời có thể là sử dụng tia laze mạnh đẩy những cánh buồm phát sáng bằng tốc độ rất cao cùng với ánh sáng phát lên lúc bắt đầu khởi hành, cho tới tận khi tàu vũ trụ đi quá xa để nguồn laze có thể đẩy một lực mạnh hơn tới các chùm ánh sáng".
Kể từ khi những tia laze chuyển động có thể được xây dựng trên Trái Đất hoặc trong quỹ đạo, tàu vũ trụ liên sao light-sail không cần phải mang theo nhiên liệu trong chuyến du hành nữa. Vì vậy, trọng lượng của tàu vũ trụ có thể được giữ ở mức nhỏ nhất.
Tàu vũ trụ light-sail điều khiển bằng laze là bước đầu trong dự án Breakthrough Starshot (một chương trình trị giá 100 triệu đôla Mỹ của Breakthrough Initiatives) được công bố vào năm nay bởi nhà đầu tư Yuri Milner và nhà vật lý Stephen Hawking. Dự án này nhằm xây dựng một kiểu mẫu làm việc của năm 2036 với chi phí của nhiệm vụ cuối cùng khoảng 10 tỷ đôla Mỹ.
Dự án dự tính có khoảng 1000 tàu vũ trụ "StarChip" kích thước chỉ bằng tem dán - mỗi con nặng vài gram và được gắn vào một "tàu mẹ" trong quỹ đạo trước khi tăng tốc bằng laser trên mặt đất có tốc độ bằng khoảng 15 đến 20% tốc độ ánh sáng.
Điều này sẽ giúp tàu vũ trụ thực hiện chuyến du hành dài 4 năm ánh sáng đến hệ thống Alpha Centauri - hệ thống ba ngôi sao gồm ngôi sao chủ Proxima Centauri và hành tinh có sự sống - trong khoảng 20 đến 30 năm.
Những khái niệm đằng sau dự án Breakthrough Starshot được nghiên cứu bởi Philip Lubin - giáo sư vũ trụ học tại trường Đại học California ở Santa Barbara - người mà nói rằng: "Thách thức lớn nhất còn lại là tạo ra năng lượng tia laser đủ mạnh để có thể điều khiển được tàu vũ trụ light-sail".
4. Tàu vũ trụ Bussard ramjet
Tàu vũ trụ Bussard Ramjet sẽ tạo ra những dấu vết khí và bụi rất nhỏ được tìm thấy trong không gian liên sao. (Nguồn ảnh: Adrian Mann).
Khái niệm tàu vũ trụ Bussard Ramjet được đề xuất bởi nhà vật lý Robert Bussard vào năm 1960, kết hợp lực đẩy mạnh của những tên lửa nhiệt hạch, các yêu cầu nhiên liệu thấp của những cánh buồm phát sáng.
Thay vì phải mang theo nhiên liệu, tàu vũ trụ Bussard Ramjet sẽ tạo ra những dấu vết khí và bụi rất nhỏ được tìm thấy trong không gian liên sao, được gọi là "Interstellar Medium" (tạm dịch: Liên sao vừa), sử dụng một từ trường điện từ hình phễu khổng lồ, trải dài hàng nghìn dặm ở phía trước tàu vũ trụ.
Khí hydro từ Interstellar Medium sẽ được nén vào và sử dụng làm nhiên liệu trong tên lửa nhiệt hạch nằm phía sau tàu vũ trụ để đẩy mạnh nó về phía trước.
Về mặt lý thuyết, một tàu vũ trụ được điều khiển bởi tàu Bussard Ramjet có thể tiếp tục tăng tốc được, miễn là trên đường đi có đủ khí giữa các vì sao để tạo ra lực đẩy và có thể đạt được một phần của tốc độ ánh sáng.
Kết quả là, tàu vũ trụ Bussard được cho là dịch vụ lâu dài và vinh dự trong các nghiên cứu khoa học viễn tưởng. Nổi bật là hàng loạt cuốn tiểu thuyết và truyện ngắn "Known Space" của Larry Niven, gồm có cuốn sách "Ringworld" và cuốn tiểu thuyết "Tau-Zero" của Poul Anderson năm 1970 - một phi hành đoàn liên sao đã khiến tàu vũ trụ Bussard bị ảnh hưởng nhiều đến tốc độ tương đối để tránh bị tiêu diệt.
Thật không may, Interstellar Medium quay xung quanh hệ Mặt trời của chúng ta và những ngôi sao gần đó thường rất nhỏ và các nhà khoa học đã dự tính rằng ở đó không đủ khí hydro để cung cấp nhiên liệu cho tàu vũ trụ Bussard Ramjet. Crawford nói: "Nó không thuộc thiên hà".
Tuy nhiên, ông có giải thích: "Một số ý tưởng đề xuất nhằm khắc phục các hạn chế bao gồm một khái niệm được biết đến với tên gọi là "Ram Augmented Rocket Stellar", thu thập các vấn đề về khối lượng phản ứng để có thể điều khiển tàu vũ trụ về phía trước, sử dụng năng lượng để chiếu sáng bằng tia laze và một "Interstellar Runway" sử dụng lớp nhiên liệu trầm tích nằm ở phía trước đường tăng tốc của tàu vũ trụ Bussard".
5. Tên lửa phản vật chất & hố đen chuyển động
Phản vật chất sẽ là một nhiên liệu tên lửa tuyệt vời do bởi mật độ năng lượng của nó rất cao. (Nguồn ảnh: Adrian Mann).
Ngoài những cánh buồm phát sáng, tia laze khổng lồ và tên lửa nhiệt hạch, còn có một số lựa chọn "kỳ lạ" đối với việc du hành giữa các vì sao đã được đề xuất như các tên lửa được tạo ra bởi các phản ứng hủy diệt cực kỳ dữ dội (và vô cùng hiệu quả) của vật chất và phản vật chất.
Crawford nói: "Phản vật chất sẽ là một nhiên liệu tên lửa tuyệt vời do bởi mật độ năng lượng của nó rất cao. Nhưng dĩ nhiên, nó không tồn tại sẵn trong tự nhiên mà chúng ta phải tạo ra nó. Việc tạo ra nó không chỉ rất khó, tốn kém mà khi thực hiện còn rất nguy hiểm – vì vậy, nó có thể được sử dụng như một nhiên liệu tên lửa".
Một đề xuất khác trong việc sử dụng vật lý ngoại lai để điều khiển tàu vũ trụ là chuyển động "Schwarzschild Kugelblitz" – sử dụng kính hiển vi, hố đen nhân tạo bên trong có chứa động cơ như là nguồn sức mạnh của nó.
Phần trên là ý tưởng về một con tàu mang tên là "SK Drive" - chặn bức xạ Hawking từ sự phân rã nhanh chóng, cực kỳ dữ dội của hố đen nhỏ xíu và chuyển nó thành năng lượng sử dụng để đẩy tàu vũ trụ.
Mỗi hố đen nhân tạo chỉ có thể tồn tại trong vài năm, vì vậy những hố đen mới sẽ được tạo ra theo yêu cầu bằng cách nén những vật chất với tia gama laze.
Theo nghiên cứu năm 2009, phi thuyền SK-drive được hỗ trợ bởi một hố đen nhỏ xíu với khối lượng của một tàu chở dầu hiện đại có thể tăng 10% tốc độ ánh sáng trong vòng 20 ngày. Các hố đen có thể tồn tại trong khoảng thời gian là ba năm rưỡi trước khi phân rã toàn bộ, chúng sản xuất ra hơn 160 PW (petawatts) hay 160 nghìn triệu triệu oát, năng lượng trong cả "cuộc đời" của nó.
6. "Tàu chậm"
Vẫn còn một số ý tưởng tồn tại trong khái niệm về "Tàu chậm" - có thể một ngày để đưa con người đến nơi những ngôi sao. (Nguồn ảnh: Adrian Mann).
Ngay cả với các tên lửa di chuyển siêu nhanh tăng tốc 10% hoặc nhanh hơn so với tốc độ của ánh sáng, nó sẽ mất nhiều thời gian để đi tới những ngôi sao nằm rất gần với Trái đất. Mặc dù giáo sư Crawford là người ủng hộ việc con người khám phá hệ Mặt trời nhưng ông nói: "Khoảng cách giữa các ngôi sao quá lớn, con người phải mất vài trăm năm mới có thể thực hiện được chuyến du hành vũ trụ".
Crawford nói thêm: "Tôi nghĩ rằng con người có thể khám phá các hành tinh hiệu quả hơn robot, những lý do về văn hóa trong việc con người khám phá không gian. Hiện giờ, nó đúng khi sử dụng rất tốt trên phạm vi giữa những ngôi sao - chỉ là do khoảng cách quá lớn và những khó khăn về mặt kỹ thuật nên giai đoạn này là giai đoạn gần như không thể hiểu được".
Mặc dù vậy, vẫn còn một số ý tưởng tồn tại trong khái niệm về "Tàu chậm" - có thể một ngày để đưa con người đến nơi những ngôi sao, gồm có:
Tàu Sleeper (Sleeper Ships), là nơi những thuyền viên trong tàu luôn được giữ trong trạng thái "ngủ sâu" hoặc "lơ lửng" trong suốt một hành trình dài. Con tàu này đã xuất hiện trong nhiều bộ phim khoa học viễn tưởng như "2001: A Space Odyssey" của Stanley Kubrick được thực hiện vào năm 1969, "Alien" của Ridley Scott năm 1979 và "Avatar" của James Cameron năm 2009.
Tàu World Ships, còn được gọi là "tàu thế hệ" hoặc "thuyền lớn liên sao" - một con thuyền khổng lồ có không gian khép kín chứa được số lượng người lớn và các loài khác sống trên Trái đất. Con tàu này thực hiện chuyến du hành đến định cư ở những hành tinh "kỳ lạ" khá thoải mái nhưng chuyến đi có thể mất hàng thế kỷ mới kết thúc. Các thế hệ con người sẽ sống và chết trong chuyến du hành và chỉ còn thế hệ con cháu của họ có thể đi tới đích.
Tàu Embryo làm đông lạnh tế bào gốc của con người thay vì "ngủ sâu" hay vẫn duy trì sự sống của con người để đến một hành tinh xa xôi - nơi mà họ có thể "tồn tại" và thực hiện nghiên cứu bởi một phi hành đoàn đã có robot bảo vệ.
7. Tàu Faster-than-light
Khái niệm về tàu vũ trụ faster-than-light vẫn còn nhiều ẩn số. (Nguồn ảnh: Adrian Mann).
Ở bất cứ nơi nào các nhà thiên văn cũng có thể quan sát vũ trụ, thuyết tương đối luôn được giữ vững. Khi Albert Einstein cho thấy: "Trong không gian, không thể đẩy nhanh một trọng lượng trở thành tốc độ ánh sáng được, và bỏ qua nó".
Tuy nhiên, những phương trình của Einstein có thể vẫn giữ lại một số thủ thuật để áp dụng vào khoa học, kết thúc một quá trình bằng những định luật đã biết trong vật lý và tiến hành chuyến đi với tốc độ nhanh hơn ánh sáng (FTL) - Holy Grail cho thế hệ của những người hâm mộ khoa học.
Khái niệm về khoa học nổi tiếng nhất về chuyến du hành FLT là động cơ Alcubierre, được nhà vật lý lý thuyết Miguel Alcubierre đề xuất vào năm 1994.
Các động cơ đề xuất hoạt động bằng cách sử dụng lực hấp dẫn cực mạnh, được tạo ra bởi hai vòng quay của vật chất dày đặc kỳ lạ để thu nhỏ kích thước vật lý không gian phía trước của tàu vũ trụ, trong khi đó mở rộng không gian phía sau nó, tại tốc độ có thể vượt qua tốc độ ánh sáng.
Đề xuất của Alcubierre yêu cầu phải có một loại vật chất kỳ lạ về các vòng tròn mà không được biết đến là tồn tại, tàu vũ trụ nằm bên trong "bong bóng xốp hơi"' được tạo ra bởi động cơ sẽ không bao giờ đi nhanh hơn ánh sáng trong không gian của riêng nó, vì vậy sẽ không vi phạm định luật thuyết tương đối.
Những ý tưởng đầu cơ khác đối với tàu du hành FTL bao gồm việc sử dụng hố sâu đa chiều - theo lý thuyết chúng không tồn tại - để đi đến giữa khu vực có khoảng cách vướng víu hoặc liều lĩnh đi qua các cạnh của một hố đen lớn - xoay tròn như được mô tả trong phim "Interstellar" của Christopher Nolan năm 2014.
Nhưng giáo sư Crawford cũng lưu ý rằng: "Khái niệm về tàu vũ trụ faster-than-light vẫn còn nhiều ẩn số và mâu thuẫn thể hiện rõ như vi phạm nguyên tắc nhân quả - mọi tình huống được tạo ra bởi những tình huống khác xảy ra vào thời gian trước và không có thứ gì bao quanh. Vì vậy, nó giống với các đề xuất không thể chứng minh, thậm chí còn được thừa nhận bằng những công nghệ có tính khả thi".
Crawford nói: "Tôi không muốn nghe những vấn đề quá bi quan, vì tôi có thể nhìn thấy được lợi ích to lớn mà con người có được khi du hành đến những ngôi sao, nhưng định luật vật lý vẫn là định luật vật lý và nó thực sự rất khó".