Xây dựng thang máy đưa con người vào vũ trụ: Giấc mơ không còn quá xa!

Một chiếc thang máy vũ trụ đưa chúng ta từ Trái đất ra ngoài không gian chỉ thường xuất hiện trong những bộ phim khoa học viễn tưởng.

Vậy nhưng kế hoạch thử nghiệm cấu trúc này sẽ được triển khai những năm tới đây.

Khái niệm thang máy vũ trụ lần đầu tiên được đề xuất vào năm 1895, thậm chí có thể còn sớm hơn.

Ngày nay, nhờ sự xuất hiện của công nghệ hiện đại, kiến thức và các loại vật liệu mới khiến ý tưởng công nghệ hiện đại này càng trở nên hữu hình hơn.

Lợi ích đáng chú ý nhất của thang máy vũ trụ là giảm đáng kể chi phí gửi hàng hóa tiếp tế và phi hành đoàn lên trạm không gian hay các hành tinh gần Trái đất.

Ngay cả với lợi thế của tên lửa có thể tái sử dụng từ Tập đoàn SpaceX thuộc sở hữu của tỷ phú Elon Musk, việc đưa bất cứ thứ gì vào quỹ đạo vẫn vô cùng tốn kém. 

Nguyên nhân chính dẫn đến chi phí lớn này là do, để đưa một vật thể tự thoát khỏi lực hấp dẫn của Trái đất, nó phải đạt đến một tốc độ nhất định.

Trên thực tế, mỗi hành tinh có một lực hấp dẫn khác nhau nên tốc độ phóng cũng sẽ khác. Điển hình như đối với Trái đất, một tên lửa muốn thoát khỏi hành tinh của chúng ta phải đạt tốc độ tối thiểu là 40.270km/h, điều đó đồng nghĩa với việc nó cần lượng nhiên liệu rất lớn, chưa kể việc khí thải ra môi trường có thể đe dọa đến khí hậu.

Điều này khiến các nhà khoa học nghĩ đến ý tưởng xây dựng một thang máy không gian, từ một sợi cáp kéo dài từ Trái đất đến một quỹ đạo xa xôi được cung cấp bởi năng lượng mặt trời và sẽ không cần bất kỳ loại nhiên liệu hóa thạch nào.

Ưu tiên chính của nghiên cứu đưa là tìm ra một vật liệu đủ bền, dài và nhẹ. Thứ hai là tìm cách giảm yêu cầu về lực khi mang một trọng tải cụ thể, dù gặp nhiều thách thức song ý tưởng này là hoàn toàn khả thi trong cuộc sống ngày nay.

Thang máy vũ trụ là gì?

Cơ quan Hàng không và Vũ trụ Mỹ (NASA) đã định nghĩa khái niệm này như sau: "Thang máy vũ trụ là kết nối vật lý giữa bề mặt Trái đất và quỹ đạo Trái đất địa tĩnh (GEO - phía trên Trái đất ở độ cao xấp xỉ 35.786 km). Tâm khối lượng của nó nằm ở điểm địa tĩnh sao cho nó có quỹ đạo 24 giờ và ở cùng một điểm phía trên đường xích đạo khi Trái đất quay quanh trục của nó".

Dễ hiểu hơn về khái niệm này, nhà khoa học người Anh, Arthur C. Clarke (1917-2008) đã đưa ra một định nghĩa khác trong bài phát biểu của mình tại Đại hội Du hành Vũ trụ Quốc tế lần thứ 30 (1979): "Thang máy vũ trụ là cấu trúc kết nối một điểm trên đường xích đạo với một vệ tinh trên quỹ đạo địa tĩnh trực tiếp trên đầu. Bằng cách cung cấp một đường thẳng đứng, nó sẽ cho phép giảm đáng kể chi phí cho các hoạt động trong không gian".

Các yếu tố cấu trúc của thang máy vũ trụ bao gồm chân đế (hoặc neo), dây cáp, thanh leo, hệ thống điện và đối trọng trong không gian.

Để sợi cáp không bị đứt, nó phải được cân bằng ở đầu kia bởi một khối lượng có quỹ đạo tương tự. Toàn bộ thang máy sau đó sẽ được hỗ trợ bởi lực ly tâm, do hành tinh của chúng ta quay.

Tuy nhiên, thời điểm đó, không có vật liệu nào được biết là đủ mạnh để chịu được các lực này. Những thách thức kỹ thuật và chi phí liên quan đến một cấu trúc như vậy là rất lớn.

Song trải qua hàng thập kỷ, mỗi thế hệ các nhà khoa học đã có những nghiên cứu mới để khắc phục những trở ngại này.

Thử nghiệm được xây dựng vào năm 2050

Một trong những công ty xây dựng hàng đầu của Nhật Bản, Obayashi Corporation gần đây tuyên bố bắt đầu thử nghiệm ống nano carbon, về mặt lý thuyết, có thể giúp xây dựng một thang máy khổng lồ vươn ra ngoài không gian.

“Thang máy không gian” này sẽ đẩy con người ra khỏi bầu khí quyển Trái đất với tốc độ kỷ lục. Dựa trên ước tính của một số nhà khoa học, ý tưởng này có thể giảm thời gian du hành tới sao Hỏa - từ 6 - 8 tháng, xuống chỉ còn 40 ngày. Nhưng liệu dự án đầy tham vọng như vậy có thực sự thành hiện thực? Tập đoàn Obayashi cho rằng “Có”.

Thang máy không gian này sẽ trông như thế nào? Theo hình ảnh ý tưởng và kế hoạch do công ty Obayashi vạch ra, nó trông giống như một cái ống khổng lồ, nối Trái đất với một vệ tinh địa tĩnh bên ngoài bầu khí quyển của hành tinh. Ống nano carbon này có chiều dài gần 96 nghìn km, sử dụng thang máy có bánh xe được gọi là “người leo núi” (climber) để vận chuyển vật liệu cũng như con người.

Tập đoàn Obayashi cho biết, việc xây dựng thang máy không gian sẽ được thực hiện bằng cách vận chuyển vật liệu qua tên lửa ở nhiều giai đoạn trong suốt quá trình chế tạo tàu vũ trụ ở Quỹ đạo Trái đất tầm thấp (LEO).

Ý tưởng về thang máy không gian.

Sau đó, tàu vũ trụ sẽ sử dụng động cơ điện để di chuyển lên khi bay vòng quanh Trái đất cho đến khi chạm tới Quỹ đạo Trái đất địa tĩnh (GEO), lúc đó nó sẽ bắt đầu quay quanh quỹ đạo với tốc độ tương tự như tốc độ quay của Trái đất.

Ở khoảng cách khoảng 35 nghìn km từ Trái đất, tàu vũ trụ sẽ bắt đầu triển khai ống nano carbon với một bộ đẩy gắn vào đầu của nó, rồi một lần nữa di chuyển xa hơn khỏi Trái đất.

8 tháng sau, Obayashi Corporation ước tính, ống nano carbon sẽ chạm tới bề mặt Trái đất và tàu vũ trụ sẽ đạt đến độ cao cuối cùng là 96 nghìn km, nơi nó đóng vai trò là đối trọng cho ống. Từ đó, một climber sẽ leo lên ống, gia cố nó bằng dây cáp trước khi nối với đối trọng ở trên cùng.

Tập đoàn Obayashi ước tính sau khi được gia cố khoảng 500 lần, chiếc ống này sẽ có thể đỡ được một thang máy có bánh xe nặng 100 tấn, được dùng để vận chuyển vật liệu để hoàn thành trạm GEO.

Ở bên dưới, các nhà khoa học có kế hoạch xây dựng Cảng Trái đất, một cửa ngõ vào không gian với hai phần, một trên đất liền ở xích đạo và một trên biển. Mỗi phần này sẽ được kết nối bằng một đường hầm dưới biển.

Từ Cảng Trái đất, những climber sẽ leo lên ống nano carbon với tốc độ khoảng 150 km một giờ, đạt đến độ cao của Trạm vũ trụ quốc tế trong khoảng hai tiếng rưỡi. Về mặt lý thuyết, toàn bộ quá trình sẽ được cung cấp năng lượng bằng năng lượng mặt trời, với trạm GEO đóng vai trò là một tấm pin mặt trời khổng lồ.

Mỗi lần phóng, tập đoàn cho biết, có thể sẽ tốn vài nghìn USD, so với số tiền hiện tại để đưa tàu lên vũ trụ, thì chi phí này khá rẻ.

Những ý tưởng "điên rồ"

Năm 2019, nhà nghiên cứu Zephyr Penoyre, Đại học Cambridge, Anh và Emily Sandford, Đại học Columbia, New York (Mỹ) tuyên bố rằng, ý tưởng về một sợi cáp nối trực tiếp Trái đất với không gian là khả thi với các công nghệ ngày nay.

Theo MIT Technology Review, hai nhà khoa học trên đã thực hiện một cách tiếp cận khác. Thay vì neo cáp vào Trái đất, họ đề xuất neo nó lên Mặt trăng và treo nó xuống Trái đất.

Sự khác biệt lớn đến từ các lực ly tâm đã đề cập trước đó.

Một thang máy vũ trụ thông thường sẽ quay hết một vòng mỗi ngày, cùng pha với vòng quay của Trái đất. Nhưng trạm thang máy đặt trên Mặt trăng sẽ chỉ quay quanh quỹ đạo mỗi tháng một lần, tốc độ chậm hơn nhiều do các lực tương ứng yếu hơn.

Thang máy vũ trụ đang gặp phải một vài thách thức trong đó chính là loại vật liệu đủ bền và nhẹ (Ảnh minh họa: National Geographic).

Ngoài ra, dây cáp hỗ trợ kéo dài từ Mặt trăng đến Trái đất sẽ đi qua một vùng không gian nơi lực hấp dẫn của mặt đất và Mặt trăng triệt tiêu lẫn nhau, được gọi là điểm Lagrange. 

Nói cách khác dễ hiểu hơn chính là bên dưới, lực hấp dẫn kéo dây cáp về phía Trái đất; trong khi ở trên, lực hấp dẫn kéo dây cáp về phía bề mặt Mặt trăng. Các nhà nghiên cứu đề xuất rằng nguy cơ bị các vật thể không gian (như thiên thạch) va phải ở khu vực này là thấp và cáp có thể được chế tạo để chịu được những cú giật nhỏ.

Đối với ý tưởng thứ hai, trước tiên, du khách sẽ đi một tên lửa để đến trạm được đặt ở chân thang máy, sau đó sẽ đi hệ thống thang máy vũ trụ chạy bằng năng lượng mặt trời đến Mặt trăng.

Hai nhà khoa học cho biết thêm rằng: "Điều này sẽ làm giảm lượng nhiên liệu cần thiết để tiếp cận bề mặt Mặt trăng xuống còn một phần ba so với các di chuyển hiện tại".

Họ nói rằng hệ thống của họ có thể được chế tạo với giá vài tỷ đô la bằng cách sử dụng công nghệ hiện tại và sẽ giảm chi phí du hành trên Mặt trăng do giảm sự phụ thuộc vào tên lửa.

Các tác giả tin rằng, điều này có thể tạo điều kiện thuận lợi cho các chuyến thám hiểm khoa học thường xuyên hơn tới Mặt trăng và thậm chí có thể là các dự án công nghiệp, chẳng hạn như khai thác các khoáng chất quý hiếm có nhiều trên bề mặt hành tinh này.

Penoyre giải thích trong một thông cáo báo chí: "Spaceline (tên gọi ý tưởng của họ) sẽ trở thành một cơ sở hạ tầng, giống như một tuyến đường sắt cũ, cho phép người và vật tư di chuyển dễ dàng trong không gian".

Ngoài ý tưởng của Penoyre và Sandford, khái niệm cơ bản của thang máy vũ trụ là phóng một vệ tinh vào quỹ đạo địa không đồng bộ, để hạ một dây cáp xuống bề mặt Trái đất, sau đó dùng nó để nâng người du hành lên xuống trong không gian.

Điều này, đòi hỏi một vật liệu đủ mạnh và nhẹ để hỗ trợ trọng lượng của chính nó cộng với tải trọng. Dây buộc sẽ dài 100.000km và rộng 1 mét.

Vật liệu đắt đỏ

Cho đến gần đây, vật liệu ứng cử viên duy nhất là ống nano carbon, nhưng việc sản xuất vật liệu này với độ dài và rộng trên là một thách thức lớn.

Đáng chú ý, các nhà khoa học từ Hiệp hội Thang máy Không gian Quốc tế (ISEC) tuyên bố rằng, một quy trình sản xuất hiệu quả về chi phí có thể tạo ra các dải băng graphene (loại vật liệu mới cứng hơn thép 200 lần và rất mềm) để làm sợi cáp này.

Những phát hiện mới nhất của họ đã được trình bày chi tiết trong một bài báo trình bày tại Đại hội Thiên văn Quốc tế vào tháng 9/2022, ở Paris (Pháp).

Chúng ta nên biết rằng vào năm 2010, hai nhà khoa học đến từ Đại học Manchester, Vương quốc Anh, đã đoạt giải Nobel Vật lý vì đã khám phá và cô lập được một loại vật liệu mới, đó chính là graphene.

Graphene là một dạng carbon mới, cứng hơn thép 200 lần, nhưng vẫn mềm dẻo, trong suốt và không độc hại. Chính vì thế, Graphene đủ mạnh và nhẹ cho thang máy vũ trụ.

Vào năm 2021, công ty General Graphene của Mỹ đã cung cấp cho ISEC các mẫu graphene đa tinh thể ở các lớp có độ dày từ một nguyên tử đến 30 nguyên tử. Ước tính, dây kéo của thang máy vũ trụ sẽ dày tối đa khoảng 12.000 nguyên tử.

Trong ba thập kỷ qua, có rất ít tiến bộ trong việc sản xuất các ống nano carbon. Quá trình này diễn ra cực kỳ chậm và các ống thu được không bao giờ đủ dài. Chúng hiện có thể được sản xuất với chiều dài dưới một mét. Nếu để tạo ra một ống nano dài một mét như trên, sẽ mất 11 ngày!

Theo ước tính, để sản xuất loại dây kéo từ vật liệu này cho thang máy vũ trụ có thể tiêu tốn khoảng 15 % ngân sách năm 2022 của NASA (tương đương 3,6 tỷ USD).

Nếu thang máy bị hỏng thì sao?

Các nhà khoa học cũng đã nghĩ đến những kịch bản hỏng hóc đối với thang máy vũ trụ.

Trường hợp 1: Nếu cáp thang máy bị đứt tại điểm neo của nó trên Trái đất, lực hướng ra ngoài do đối trọng tác dụng sẽ khiến toàn bộ thang máy bay lên quỹ đạo cao hơn hoặc nó hoàn toàn thoát khỏi lực hấp dẫn của Trái đất.

Trường hợp hai: Nếu đứt dây xảy ra ở độ cao lớn hơn, khoảng 25.000 km. Phần dưới của lực nâng sẽ hạ xuống Trái đất và treo dọc theo đường xích đạo về phía Đông của điểm neo, trong khi phần trên không cân bằng sẽ bay cao vào không gian.

Cuối cùng, kịch bản thứ ba: nếu sự đứt gãy xảy ra ở phía đối trọng của thang máy, thì phần bên dưới, bao gồm cả "nhà ga trung tâm", sẽ bắt đầu rơi xuống quay trở lại bầu khí quyển (nơi nó sẽ cháy hoặc rơi xuống mặt đất).

Điều này, cần một cơ chế cắt cáp ngay lập tức bên dưới nhà ga sẽ ngăn sự cố không mong muốn và khiến thang máy tiếp tục đi vào quỹ đạo cao.

Ý tưởng xây dựng thang máy vũ trụ thực ra đã có từ những năm thập niên 89-90 của thế kỷ trước, để có thể hiện thực hóa điều này tất nhiên vẫn cần một khoảng thời gian khá dài!

Song với sự phát triển của khoa học công nghệ hiện nay, việc con người có thể du lịch bằng thang máy vào không gian là một điều hoàn toàn có thể trở thành hiện thực.

• Năm 2035: Thang máy vũ trụ được xây dựng như thế nào?
• Trung Quốc làm ra vật liệu siêu bền cho "thang máy vũ trụ"
• Choáng váng trước bảo tàng kỹ thuật số Trung Quốc có thiết kế như trong phim viễn tưởng