Nếu thành công, đây sẽ là bước nhảy vọt của toàn ngành tên lửa.
SpaceX, công ty hàng không vũ trụ do Elon Musk sáng lập, đang làm một dự án mà ai cũng biết: cho người định cư hẳn trên sao Hỏa. Để biến ảo mộng đó thành sự thực, Elon Musk sẽ cần tới những công nghệ của thực tế, và ông đang làm vậy.
SpaceX đang phát triển một hệ thống phóng tên lửa hoàn toàn có thể tái sử dụng mang tên Starship
Con tàu vũ trụ khổng lồ sẽ cao 55 mét, nằm trên hệ thống tên lửa mạnh kinh hoàng Heavy Rocket cao 67 mét. Hệ thống tên lửa đẩy sẽ lên quỹ đạo thấp của Trái Đất, nhận thêm nhiên liệu để chỉ trong một chuyến, đưa được 100 hành khách cùng 100 tấn hàng tới Sao Hỏa.
Thế nhưng có hai yếu tố có thể quyết định sự thành công (hay thất bại) của toàn bộ hệ thống phóng, đó là hai thay đổi trong thiết kế mới được thêm vào, được Musk mô tả là "triệt để" và "khác thường".
Một trong số đó là lắp ráp tàu vũ trụ bằng hợp kim thép không gỉ chứ không phải hỗn hợp sợi carbon. Nhưng theo lời các chuyên gia ngành hàng không vũ trụ, thay đổi đáng chú ý nhất và đáng ngạc nhiên nhất là cách con tàu tự làm nguội lớp vỏ, khi nóng lên đến cực độ tại thời điểm ra vào bầu khí quyển của Trái Đất và Sao Hỏa.
Không dựa vào lớp vỏ gốm để bảo vệ thân tàu khỏi nhiệt, như cách NASA vẫn làm với các tàu vũ trụ của mình, Musk nói rằng con tàu của ông sẽ "rỉ ra" nhiên liệu tên lửa thông qua các lỗ nhỏ, hạ nhiệt của con tàu. Trên lý thuyết, nếu đổ dung dịch lên bề mặt thép, thì lớp plasma cực nóng xuất hiện lúc con tàu đâm qua bầu khí quyển sẽ giúp cho tàu vũ trụ được nguyên vẹn.
Nhưng chưa rõ SpaceX sẽ làm thế nào để có được hệ thống làm lạnh cực ngầu với quy mô lớn như thế.
Hệ thống tên lửa này cao 67m.
"Việc đâm xuống bầu khí quyển, giảm độ cao và hạ cánh vẫn là những vấn đề hóc búa NASA gặp phải nhiều thập kỷ nay. Chúng tôi dành rất nhiều thời gian nghiên cứu để tìm cách hạ cánh lên sao Hỏa", Walt Engelund, kỹ sư không gian vũ trụ và giám đốc Ban Công nghệ và Thám hiểm tại NASA nhận định. "Chúng tôi đã hạ cánh được tàu thăm dò Curiosity nặng cả tấn – đó là thứ nặng nhất chúng tôi đặt được lên Sao Hỏa".
Ông Engelund so sánh độ khó của việc hạ cánh một con tàu vũ trụ chở cả hành khách và hàng hóa chắc phải khó hơn gấp 100 lần việc đặt xuống một con robot to bằng cái xe. Mà việc hạ cánh Curiosity phải là một trong những thử thách khó nhất NASA từng gặp phải. "Không dễ dàng gì cho cả chúng tôi lẫn SpaceX", ông khẳng định.
Tại sao Starship được làm từ kim loại nặng?
Elon Musk dự định vào năm 2050, ông sẽ xây dựng được một thành phố tự sản sinh tài nguyên để vận hành trên sao Hỏa. Ông mong muốn một tấm vé lên Sao Hỏa có giá ngang ngửa một căn nhà, miễn phí chiều về.
Ông muốn đạt được ước mơ hoang dại đó bằng chính hệ thống phóng Starship – Super Heavy. Hợp kim thép không gỉ sẽ giảm được chi phí, đồng thời việc lắp ráp sẽ diễn ra nhanh hơn. "Con tàu Starship sẽ trông giống dung dịch bạc", Musks nói.
Trong bài phỏng vấn với Popular Mechanics, Musk giải thích khi so sánh về khối lượng, thì thép rẻ hơn hỗn hợp sợi carbon siêu nhẹ, siêu chắc tới 67 lần. Các kỹ sư làm việc với thép dễ hơn, vậy nên dựng tàu mẫu sẽ mất ít thời gian hơn. Chưa kể thép chịu nhiệt độ cực cao tốt hơn vài phần.
Chưa hết, theo lời Elon Musk, sức chịu đựng của thép "tăng 50%" khi được phủ dung dịch cực lạnh – những thứ như khí methane lạnh và oxy mà Starship sử dụng khi phóng lên.
Thiết kế tàu Starship mới sẽ gạt đi những lo âu hệ thống cũ mang lại.
Vấn đề lớn nhất của thép là vừa đặc vừa nặng. Tuy nhiên, Musk có nói về việc SpaceX sử dụng thép theo cách khác hơn bình thường, sẽ cho phép Starship dẻo dai hơn, cứng cáp hơn nhưng lại nhẹ hơn bạn tưởng tượng. Tóm lại, thiết kế tàu Starship mới sẽ gạt đi những lo âu hệ thống cũ mang lại.
"Tôi tự tin con tàu thép không gỉ sẽ nhẹ hơn nhôm cải tiến hay sợi carbon, giảm việc sử dụng các tấm chắn nhiệt vì chất liệu tàu hiệu quả hơn".
Thép cũng không phải là vật liệu bất khả chiến bại, nó vẫn có thể hỏng khi đối đầu với lượng nhiệt khổng lồ sinh ra khi ma sát với bầu khí quyển. Đó là lý do cần tới…
Một quả tên lửa có thể "rỉ máu, đổ mồ hôi"
Starship có thể vào và ra tầng khí quyển của Trái Đất và Sao Hỏa ở tốc độ 30.500km/h, gậy áp lực nhiệt độ tới 1480 độ C lên mũi con tàu. Từng đó nhiệt đủ để phá hủy lớp vỏ của Starship.
Kim loại để SpaceX chế tạo tàu là 310S có khả năng chịu nhiệt do thành phần có crom và kền. Thành phần của nó khác với thép làm nồi niêu nhiều! Thế nhưng chúng vẫn có khả năng phản ứng với oxy và bị ăn mòn ở 1090 độ C, bắt đầu chảy ở 1.300 độ C.
Con tàu vẫn cần một cách giảm nhiệt độ nữa, Musk đề xuất Starship sử dụng dung dịch để làm nguội tàu trong quá trình hạ cánh. Ông nói với Popular Mechanic về việc bỏ qua tấm chắn nhiệt vẫn thường dùng trong các sứ mệnh phóng tàu vũ trụ, nhằm tránh khả năng chỉ một tấm chắn nhiệt bung ra là cả con tàu sẽ gặp nguy hiểm.
Thay vào đó, Starship sẽ "rỉ" nhiệt liệu tên lửa ra, thông qua các lỗ nhỏ trên lớp da thép của mình. Lượng dung dịch sẽ lấy bớt nhiệt độ trong quá trình tên lửa bay xuống tầng khí quyển.
"Tôi muốn tàu của mình sở hữu một tấm chắn nhiệt có thể tự tái tạo đầu tiên trên thế giới. Nó sẽ là vỏ tàu hai lớp, cứ tưởng tượng nó như một cái bánh kẹp thép không gỉ vậy", Musk nói. "Bạn đổ nước hoặc nhiên liệu vào giữa hai lớp bánh kẹp, rồi đục lỗ ở phía ngoài – những lỗ rất nhỏ thôi – và tên lửa sẽ đổ mồ hôi ra, hoặc nước hoặc nhiên liệu để làm mát lớp vỏ tên lửa. Bạn không thể nhìn thấy nó đâu, trừ khi đứng thật gần".
Kim loại để SpaceX chế tạo tàu là 310S có khả năng chịu nhiệt do thành phần có crom và kền.
Ông bổ sung thêm lớp chắn nhiệt này sẽ làm hai nhiệm vụ: giảm nhiệt độ tàu và gia cố cho lớp thép không gỉ.
"Theo những gì tôi biết thì chưa có ai thử nghiệm phương pháp này".
Các chuyên gia tên lửa khẳng định chưa có tàu vũ trụ nào vượt tầng khí quyển hay vào lại tầng khí quyển với một tấm chắn nhiệt như vậy. Dù khái niệm thân tàu "đổ mồ hôi", cho ra một lớp chắn nhiệt không mới, nhưng lịch sử cho thấy đây là một thử thách kỹ thuật rất khó thực hiện.
Những dự án "toát mồ hôi" trong quá khứ
Việc đổ mồ hôi để làm mát rất sẵn có… trong tự nhiên, chúng ta hay bất kể những loài vật có vú nào khác đều làm vậy cả triệu năm nay rồi. Khi thân nhiệt lên quá cao, cơ thể sẽ đào thải bớt nhiệt dưới dạng mồ hôi, tránh việc cơ thể quá nóng. Việc áp dụng tự nhiên vào khoa học kỹ thuật đã không còn mới, việc đổ mồ hôi để giảm nhiệt không phải là ngoại lệ.
Trước khi đưa thành công phi hành gia lên Mặt Trăng, NASA đã thử nghiệm hệ thống đặc biệt này.
Phi hành gia của NASA đặt chân lên Mặt trăng.
Năm 1965, NASA đăng ký bản quyền cho "công nghệ" sử dụng nước tiểu của phi hành gia để giảm nhiệt độ đáy tàu mang dụng cụ khoa học, phần tàu mang phi hành gia tách khỏi tên lửa. Đến khoảng cuối năm 2006, cơ quan vũ trụ đã tiêu tốn ít nhất 70.000 USD vào việc nghiên cứu một lớp chắn nhiệt có thể bơm phồng, giải phóng nhiệt bằng cách "toát mồ hôi" để hạ cánh lên sao Hỏa.
Những con tàu vũ trụ có khả năng đổ mồ hôi cũng xuất hiện trong cuộc đua vũ trang thời Chiến tranh Lạnh. Hồi tháng Ba năm 1967, Bộ Quốc phòng Hoa Kỳ phóng thử nghiệm một đầu tên lửa biết "toát mồ hôi" dành riêng cho các thiết bị đi vào tầng khí quyển từ ngoài vũ trụ. Chúng có thể bay vượt tầm tên lửa đất đối không xuyên lục địa để tấn công mục tiêu mặt đất.
Nhưng theo những tài liệu lịch sử của Không lực Hoa Kỳ, dự án này bị bỏ cuối thập niên 70 vì thiếu vốn và "vướng mắc trong thiết kế, khiến sản phẩm cuối cùng không hoàn thiện". Đa số các thông tin khác liên quan đến dự án này đều trong danh sách tuyệt mật. Theo số thông tin ít ỏi được công bố, thì "lỗ thoát dung dịch làm lạnh bị bịt" là một trong các vướng mắc gặp phải.
Lỡ có con chim … bậy lên đầu quả tên lửa thì sao?
Nhiều chuyên gia chia sẻ lo lắng với trang tin Business Insider về việc tấm chắn nhiệt bằng dung dịch của Starship có thể gặp vấn đề lớn. "Chắc hẳn với lỗ nhỏ như thế, chúng sẽ rất dễ bị tắc".
Dwayne Day, người góp phần điều tra vụ tai nạn tàu con thoi Columbia đưa ra một viễn cảnh rất dễ xảy ra. "Nếu như chim bậy lên quả tên lửa và bịt mất mấy cái lỗ thì sao, khi quay lại mặt đất và không toát được dung dịch làm mát ra, quả tên lửa sẽ bị quá tải nhiệt thì sao?"
Một tàu con thoi của NASA được phóng vào vũ trụ.
NASA cũng đã làm một số thử nghiệm và thấy một vài hệ thống toát dung dịch để làm mát không hoạt động được. "Tôi đã thấy trường hợp một vài đường thoát dung dịch bị tắc … gần như ngay lập tức toàn bộ hệ thống tan biến luôn. Lượng năng lượng và nhiệt quá lớn", kỹ sư Engelund nói.
Musk có nói về việc sử dụng methane làm chất làm mát sẽ tốt hơn nước. Lý do là nước đóng băng sẽ làm hệ thống bị tắc.
Nhưng theo lời ông Engelund, thì methane cũng có thể làm tác nhân gây tắc. Khi gặp nhiệt độ cao, nguyên tử carbon trong nhiên liệu hydrocarbon (như methan) có thể bám lấy nhau rồi đặc lại. Chúng hoàn toàn có thể làm tắc các "lỗ chân lông" tàu Starship. Bên cạnh đó, nếu nhiên liệu có tạp chất, khả năng tắc các đường toát nhiên liệu sẽ càng cao.
Chưa kể lượng bụi có trên hai hành tinh, Trái Đất và Sao Hỏa, xuất hiện sau mỗi cơn gió ngang qua. Bên cạnh đất đá, bề mặt Sao Hỏa thì vốn chỉ có gió và bụi, đó sẽ là vấn đề lớn.
Starship có chịu được nhiệt không?
Elon Musk mới chỉ cho công chúng biết về những bộ phận, những hệ thống khác nhau của Starship chứ chưa đưa ra con tàu hoàn chỉnh. Những hình ảnh trong bài đều là ảnh vẽ 3D của họa sĩ Kimi Talvitie. Musk hứa hẹn sẽ công bố bản giải thích chi tiết vào tháng Ba, tháng tư tới, với bằng chứng hậu thuẫn sẽ là một buổi phóng thử nghiệm.
Trong lúc chờ đợi, ông tặng cư dân mạng video về quá trình thử nghiệm lớp vỏ kim loại của Starship. Chưa rõ quá trình thiết kế và chế tạo "tuyến mồ hôi" cho Starship tới được đâu. Khó khăn là vậy, nhưng nếu thành công, đây sẽ là đột phá của cả ngành tên lửa.
Kể cả khi thất bại, đây vẫn chưa phải dấu chấm hết cho Starship, theo kỹ sư Engelund nhận định. "Có thể anh ấy sẽ thấy hệ thống đó quá khó khăn hoặc tốn kém, và sẽ cho ra một ý tưởng tốt hơn", Engelund nói. "Theo dõi cả sự nghiệp của Musk, ta thấy rõ anh rất giỏi điều đó".
SpaceX thì từ chối so sánh công nghệ của mình với dự án hạ cánh tàu thăm dò Curiosity lên Sao Hỏa của NASA.
"Curiosity đã đẩy giới hạn công nghệ hạ cánh Sao Hỏa của năm 1970 [gồm vào khí quyển, hạ độ cao và hạ cánh], bao gồm cả hệ thống bung dù", SpaceX nói. "Chúng tôi tiếp cận vấn đề theo cách hoàn toàn khác, lợi dụng những gì đã đạt được với Falcon 9, và đã có cơ hội chứng minh được nó nhiều lần trên Trái Đất, trước khi tính tới chuyện đáp xuống Sao Hỏa".
Quả tên lửa "rỉ máu, đổ mồ hôi" của SpaceX chưa gặp bất kỳ một ý kiến trái chiều nào từ chuyên gia. "Nó làm rất nhiều người ngạc nhiên, và dự án hiện có rất nhiều bộ não tài năng đang tham gia, kể cả Elon cũng rất tập trung vào việc hoàn thiện nó", kỹ sư Engelund nhận định. "Nhiều khả năng ta sẽ vận đụng được một vài khía cạnh của hệ thống. Tôi tin vậy".