Tên lửa plasma của phi hành gia 66 tuổi - Kèo đặt cược của NASA sắp tới lúc hái trái ngọt (Phần 1)

Bước đột phá trong ngành công nghệ này giành được sự chú ý của NASA 2 năm trước và hiện giờ, số phận nó ra sao?

Ông Franklin Chang-Díaz chậm rãi đi từng bước trên những bậc cầu thang dài để tới được một khoang chân không lớn màu bạc có kích cỡ của một thùng xe tải lớn. Nhìn vào trong, một thứ ánh sáng tím hơi xanh phát liên tục như một chiếc đèn pin được bật lâu ngày, nó tỏa ra một ánh nhìn dễ chịu nhưng nhiều phần nhàm chán, ông Chang-Díaz thừa nhận. "Nhưng chùm ánh sáng đó nóng tới 3,5 triệu độ C đó. Nếu như kẹt tay vào đó, có lẽ điều xảy ra sẽ rất tồi tệ đó".

Ông Franklin Chang-Díaz.

Sự thực, thứ ánh sáng mờ nhạt tím-pha-xanh ấy không để lại chút ấn tượng mạnh mẽ nào, nhưng động cơ được sử dụng để tạo ra nó trong môi trường chân không kia lại là một công nghệ mang tính cách mạng. Có hai lý do để giải thích điều đó:

Đầu tiên, không như những động cơ tên lửa sử dụng nhiên liệu đốt khác, những người tiền nhiệm của nó, động cơ này sử dụng rất ít năng lượng. Thứ hai, động cơ này sẽ một ngày tạo ra đủ tốc lực đưa con người khám phá những chân trời xa xôi của Vũ trụ hay trước mắt, nhỏ bé hơn đó là mọi ngõ ngách của Hệ Mặt Trời.

"Đưa con người đi khám phá" đã là lời hứa của ông Chang-Díaz từ ngày ông bắt đầu nghiên cứu, chế tạo động cơ tên lửa sử dụng plasma VASIMR này. Từ một góc nhìn mang tính vật lý lý thuyết, động cơ này vẫn luôn rất hợp lý: tạo ra plasma, kích thích nó và đẩy nó ra ngoài với một tốc độ cao. Nhưng trên thực tế, kĩ thuật của chúng ta chưa chạm tới được mốc đột phá ấy.

Để làm nên điều kì diệu của VASIMR, ta phải điều khiển plasma và những thuộc tính nhiệt đặc biệt của nó, duy trì trạng thái đốt thành công trong một khoảng thời gian đủ dài, khoảng thời gian mà một quả tên lửa yêu cầu trong một chuyến hành trình xuyên vũ trụ. Những khó khăn càng khiến cho nhiều người đặt dấu hỏi vào động cơ tiềm năng này.

"Đưa con người đi khám phá" đã là lời hứa của ông Chang-Díaz từ ngày ông bắt đầu nghiên cứu.

Dù ai nói ngả nói nghiêng, dù người ta có đặt ra bao nhiêu nghi ngờ đi nữa thì họ cũng không thể phủ nhận được việc ông Chang-Díaz là một người chăm chỉ tuyệt vời với một đầu óc tài năng. Khi lần đầu tiên từ Costa Rica và bước vào nước Mỹ hồi năm 1969 để hoàn thành chương trình trung học, ông gần như không nói được chút tiếng Anh nào.

Nhưng sau đó, qua nhiều năm nỗ lực vượt bậc, ông đã lấy được bằng tiến sĩ từ Viện Công nghệ Massachusetts MIT và sau này, với tư cách là một phi hành gia, ông Chang-Díaz đã bay tổng cộng bảy nhiệm vụ ngoài không gian, san bằng kỉ lục của người đồng nghiệp Jerry Ross với số sứ mệnh không gian nhiều nhất từng có.

Từ những ngày đầu tại Trung tâm Vũ trụ Johnson, khi mà ông được lắp đặt mạng Internet để làm việc với những dữ liệu của phòng thí nghiệm vật lý plasma của Boston, Chang-Díaz đã ươm mầm giấc mơ sử dụng những kiến thức mình đã biết về khoa học để phát triển trong tương lai.

Dần dần, với từng bước tiến, ông phát triển một giả thuyết về một hệ thống tên lửa plasma và bắt đầu lắp đặt mẫu thử nghiệm. Suốt quá trình nỗ lực đột phá ấy, giới phê bình khoa học vẫn rỉ tai nhau rằng ông Chang-Díaz đang nuôi dưỡng một giấc mơ không tưởng.

Ông Chang-Díaz với sứ mệnh vũ trụ hồi năm 2002, góp công sức lắp đặt trạm vũ trụ ISS.

Nhưng giờ mọi chuyện đã khác. Dự án của ông đã trở thành một phần chương trình phát triển thế hệ tiếp theo của hệ thống tên lửa đẩy của NASA, công ty Ad Astra của Chang-Díaz đã được Cơ quan Hàng không Vũ trụ phê chuẩn một bản hợp đồng có thời hạn 3 năm, trị giá 9 triệu USD vào năm 2015.

Đây chính là cơ hội để ông chứng minh rằng thứ tên lửa plasma của ông không phải là sản phẩm giả tưởng. Theo lẽ thường, để chứng minh một thứ mà rất nhiều người cho là không tưởng, một người sẽ phải trải qua những chặng đường cực kì khó khăn: Ad Astra phải duy trì cho tên lửa plasma hoạt động liên tục trong vòng 100 giờ, với mức năng lượng 100 kilowatt và họ có hạn cuối để thành công là năm tới, năm 2018.

Tháng Hai này, họ đã đi được một nửa chặng đường mà hợp đồng đưa ra và họ cũng đã thành công được phần nào so với cái mục tiêu cuối cùng kia, khi mà động cơ VASIMR đã chạy được ở mức 100 kW trong vòng 10 giây và 50 kW trong vòng 1 phút. Chặng đường vẫn còn dài.

Quả tên lửa trong mơ

Động cơ VASIMR được đưa vào buồng chân không để thử nghiệm.

Động cơ tên lửa khởi động với một thứ khí hiếm làm nguyên liệu đốt cho plasma, trong trường hợp này đó là argon. Giai đoạn đầu, quả tên lửa ion hóa lượng argon và biến chúng thành một loại plasma lạnh. Sau đó động cơ đưa lượng plasma vào giai đoạn thứ hai – giai đoạn đẩy, thông qua một hiện tượng vật lý mang tên gia tốc ion cộng hưởng nhiệt (ion cyclotron resonance heating). Về cơ bản, tên lửa đẩy sử dụng tần số radio để tác động lên các ion, khiến chúng dao động tới lui liên tục.

Ion cộng hưởng sẽ tạo ra thêm năng lượng, chúng được chuyển thành một dòng plasma cực nóng. Dòng plasma ấy đi xuyên qua vòi thoát, là điểm sau của quả tên lửa, tạo ra lực đẩy đưa tên lửa phóng về phía trước.

Một thiết kế động cơ plasma như vậy cho ta một số lợi thế nhất định so với những công nghệ tên lửa đẩy đương thời. Có lẽ, đáng chú ý nhất, là không giống như tên lửa sử dụng phản ứng hóa học để hoạt động, tên lửa plasma chạy dựa trên điện. Nó không cần một bình nhiên liệu khổng lồ để vận hành mà chỉ cần một vài tấm pin năng lượng Mặt Trời lớn mà thôi.

Đây là nơi plasma sẽ được phóng ra.

Mặt Trời sẽ là nguồn năng lượng cho cả việc sản xuất plasma cũng như việc kích thích plasma gây nên lực đẩy, và hai trạng thái này có thể chuyển đổi với nhau khi cần thiết. Lúc tên lửa thoát khỏi Trái Đất, nó cần một lượng năng lượng lớn để tạo ra plasma.

Quá trình này sử dụng nhiều lực đẩy, nhưng ta cần nó để tạo ra một lực đẩy đủ lớn để quả tên lửa có thể thoát ra được khỏi một lực hấp dẫn lớn, ví dụ như của Trái đất. Khi tên lửa đã ổn định được tốc độ của mình trong không gian, năng lượng có thể được chuyển sang việc kích thích plasma gây lực đẩy. Điều này sẽ cho phép tên lửa có hai loại tốc độ riêng biệt và sử dụng năng lượng hợp lý hơn.

"Cũng như việc sang số xe vậy", ông Chang- Díaz giải thích. "Động cơ sẽ không thay đổi. Nhưng nếu bạn muốn lên dốc, bạn cần phải đẩy thêm nhiều năng lượng vào trục mô men xoắn và đưa ít năng lượng hơn vào việc tạo ra số vòng quay một phút, bạn sẽ leo dốc với tốc độ chậm nhưng điều quan trọng là bạn đang leo được dốc. Và khi bạn chạy trên cao tốc, với đường phẳng và thẳng, bạn sẽ lên số. Hiển nhiên là bạn sẽ không tiến tới Sao Hỏa với động cơ để ở số một rồi. Đó chính là vấn đề hiện tại. Đó là lý do tại sao ta hết nhiên liệu khi tiến tới Sao Hỏa, khi sử dụng một động cơ sử dụng phản ứng hóa học để tạo lực đẩy".

Một điểm lợi khác của loại động cơ này là plasma được giữ trong một từ trường riêng bên trong động cơ, xuyên suốt quá trình đốt cháy tên lửa. Về lý thuyết, điều này sẽ khiến cho động cơ vẫn bền sau một quá trình hoạt động dài - đây sẽ là điều cực kì có ích trong chuyến hành trình xuyên Hệ Mặt Trời của chúng ta.

Lực đẩy từ năng lượng Mặt trời

Khái niệm sử dụng năng lượng Mặt trời để đẩy tàu vũ trụ xuyên không gian nghe cực kì quen thuộc. Đó là vì 5 thập kỷ trước, cả Mỹ và Liên Xô đều đã thử nghiệm động cơ đẩy Hall cũng cùng nguyên lý năng lượng này và khi đó, người Nga đã là những người đầu tiên tạo ra một sản phẩm hoạt động được. Với công nghệ ấy, năng lượng điện được sử dụng để ion hóa nhiên liệu tạo lực đẩy (thông thường là Xenon), cho phép tên lửa tiến về phía trước.

Bên ngoài buồng thử nghiệm của ông Chang-Díaz.

NASA đã sử dụng tên lửa đẩy Hall cho một số nhiệm vụ đưa tàu thăm dò ra ngoài không gian, điển hình nhất là tàu vũ trụ Dawn được dùng để khám phá Vesta và Ceres, hai đối tượng nằm bên trong vành đai tiểu hành tinh nằm ngay trong Hệ Mặt Trời này, giữa Sao Hỏa và Sao Mộc.

Dawn được trang bị ba tên lửa đẩy Hall, hoạt động nhờ 10 kilowatt điện được tạo ra bởi hệ thống pin năng lượng Mặt trời, tổng cộng lực đẩy được tạo ra là 90 milinewton. Con số sức mạnh ấy khá bé nhỏ so với một động cơ tên lửa chạy bằng nhiên liệu đốt, với lực đẩy có thể lên tới 500 newton. Tuy nhiên, động cơ đẩy Hall không tốn một lượng nhiên liệu khổng lồ như động cơ kiểu cũ, nó sử dụng nhiên liệu từ từ và có thể được đốt cháy liên tục.

Công nghệ đẩy bằng điện Mặt trời này có thể cho phép ta có được những động cơ nhỏ hơn, cần một lượng nhiên liệu khiêm tốn nhưng với thời gian sử dụng liên tục và lâu dài, nó cũng sẽ tạo ra một tốc lực ngang bằng với những động cơ tên lửa phổ biến ngày nay.

Một tên lửa đẩy Hall sẽ tạo ra một lực đẩy khá nhỏ nhưng với khả năng kết hợp được với nhau, nhiều tên lửa đẩy Hall sẽ tạo ra một lực đẩy đủ lớn để di chuyển trong vũ trụ. Đó cũng là điều mà NASA đang dự định áp dụng lên Sứ mệnh Xác định Tiểu hành tinh bằng robot - Asteroid Robotic Redirect Mission (ARRM) của mình. Họ sẽ đưa lên vũ trụ một tàu vũ trụ sử dụng năng lượng Mặt Trời để thu lượm mẫu vật đã trên bề mặt của một tiểu hành tinh rồi quay về khoảng không gần Mặt Trăng, chờ một đội ngũ các nhà khoa học bay lên đó và nghiên cứu những gì thu thập được. Hiện tại, một số mẫu thử tên lửa đẩy sử dụng năng lượng Mặt Trời đã hoạt động được ở mức 40 kW điện.

Mẫu động cơ Hall 13 kW được thử nghiệm tại Trung tâm Nghiên cứu Glenn, đặt tại Cleveland.

Con số 40kW gần như đã là giới hạn trên của tên lửa đẩy Hall và NASA cũng hài lòng với con số ấy khi lên kế hoạch sử dụng Hall cho những sứ mệnh mang hàng tiếp tế cũng như các công cụ nghiên cứu lên Sao Hỏa, khi mà con người đã đặt chân lên được đó. NHƯNG, với công nghệ VASIMR này, 40 kW lại là giới hạn dưới của khả năng sức mạnh của nó và chưa hết, nó vẫn còn có tiềm năng để trở nên mạnh mẽ hơn nữa.

Bên cạnh những điểm vượt trội khác, tên lửa của ông Chang-Díaz còn tạo ra sức đẩy trên một đơn vị nhiên liệu nhiều hơn gấp 2 lần tên lửa thường: điều đó có nghĩa là nó sẽ sử dụng năng lượng ít hơn Hall nhưng vẫn đạt được hiệu suất tương đương. Nhưng vấn đề nan giải nhất nằm ở chỗ thứ công nghệ mới này chưa bao giờ bước vào giai đoạn thử nghiệm bay thực tế, bởi lẽ NASA đã đầu tư rất nhiều vào việc phát triển tên lửa đẩy Hall, việc ngay lập tức chuyển đổi công nghệ mới sẽ cực kì phí phạm. Đó là lý do tại sau bản hợp đồng 3 năm cùng một số tiền đầu tư lớn hồi năm 2015 lại có ý nghĩa lớn tới vậy.

"NASA đã đầu tư một số tiền khổng lồ vào công nghệ tên lửa đẩy Hall", ông Chang-Díaz nói. "Chúng tôi là kẻ đến sau. Nhưng giờ NASA đã để ý tới công nghệ của chúng tôi rồi. Họ nhận ra rằng tên lửa plasma này có hiệu năng tốt và có tiềm năng đạt được sức mạnh cao hơn nữa. Nhìn chung, khó có thể đưa được công nghệ từ bên ngoài thâm nhập vào NASA".

• Tên lửa plasma của phi hành gia 66 tuổi - Kèo đặt cược của NASA sắp tới lúc hái trái ngọt (Phần 2)