Các cách đưa con người thám hiểm sao Hỏa - Khó khăn và thực tại
| 16/12/2011 05:15 PM
Việc đưa con người lên sao Hỏa không hề là một chuyện dễ dàng. Liệu một ngày nào đó điều này có khả thi?
Khi tàu thí nghiệm trên sao Hỏa (viết tắt: MSL) của NASA với lịch trình cất cánh từ Cape Canaveral vào cuối tuần này hạ cánh xuống sao Hỏa vào tháng 8 năm 2012, con tàu nặng 1 tấn này sẽ trở thành cỗ máy không tên lớn nhất và phức tạp nhất từng được đặt ở một hành tinh khác. Có một điều bí mật nho nhỏ về cỗ máy này: Với trình độ công nghệ hiện nay, không một thứ gì nặng hơn hay to hơn MSL có thể hạ cánh xuống bề mặt sao Hỏa. Bất kì kế hoạch vĩ đại nào, bao gồm cả việc mang theo con người đã được NASA ước tính sẽ cần ít nhất một cỗ máy nặng 40-80 tấn để đạt được mục đích, đương nhiên nằm ngoài khả năng chi trả của bất cứ quốc gia nào.
Kỹ sư Bobby Braun, cựu kỹ sư trưởng mảng công nghệ của NASA và người đồng nghiên cứu một dự án năm 2005 đã đề cập đến vấn đề: “Chúng tôi đã tăng tối đa khả năng để cỗ máy này có thể hạ cánh xuống Sao Hỏa”. Trở ngại lớn nhất của nhiệm vụ vẫn là bầu không khí loãng của Sao Hỏa, mỏng hơn 100 lần so với không khí trên Trái Đất. Trọng lực của Sao Hỏa tương đương với trọng lực ở độ cao 30.000 mét so với mặt đất trên Trái Đất. Kỹ sư Robert Manning, tổng phụ trách hệ thống bay của vệ tinh thăm dò Pathfinder của NASA và người đồng tham gia bản nghiên cứu cho biết: “Hạ cánh trên sao Hỏa như hạ cánh lên một dãy núi có độ cao chót vót, thực sự kỳ lạ”. Nhưng thực chất việc này không hoàn toàn vô vọng, trong các năm tiếp sau khi bài báo về ý kiến của Braun và Manning xuất hiện, các kỹ sư đã nảy ra một ý tưởng cho thế hệ tiếp theo của cỗ máy có thể hạ cánh xuống sao Hỏa. Dưới đây là một số phương thức giúp con người có thể đặt chân lên sao Hỏa, hãy cùng đánh giá chúng.
Công nghệ trong quá khứ
Tất cả các nhiệm vụ thám hiểm sao Hỏa mà NASA đã từng thực hiện trong 40 năm qua phần lớn dựa vào cùng một công nghệ hạ cánh được sử dụng khi tàu Viking hạ cánh trên hành tinh này vào năm 1976. Hai tầng đáp của Viking, nhẹ hơn một nửa trọng lượng của MSL đã từng vào được bên trong lớp vỏ khí quyển bằng một lớp vỏ cứng chống nhiệt và lớp vỏ này đã làm chậm tốc độ rơi của con tàu khi vào tầng trên của khí quyển. Sau đó khi còn cách mặt đất khoảng 4 dặm họ cho mở dù để giảm tối đa tốc độ rơi của con tàu. Ở độ cao trên 1.500 mét, họ cho bắn 3 tên lửa giảm tốc để làm gia tốc giảm còn gần như bằng 0 và hạ cánh một cách an toàn.
Các kỹ sư từ đó đến nay luôn dùng nguyên lí tương tự và chỉ thêm một số chi tiết để cải thiện việc hạ cánh như dùng túi khí cho việc hạ cánh do thám hoặc tạo ra một cần trục hạ cánh phức tạp giúp MSL có thể tiếp cận gần hơn đến bề mặt Sao Hỏa. Braun cho biết: “Chúng ta đã dựa vào Viking quá lâu, những thử thách thực sự sẽ nảy sinh khi thực hiện những nhiệm vụ phức tạp hơn MSL, chúng ta cần phải có một cách hạ cánh hoàn toàn mới”.
Vấn đề của việc hạ cánh bằng dù
Các nhà du hành trở lại Trái Đất từ vũ trụ có những màn khí quyển mỏng và mềm giúp họ có thể hạ cánh một cách an toàn. Phương thức hạ cánh Apollo, cách mà những chiếc dù được dùng để giảm tốc độ hay hạ cánh giống cách hạ cánh của tàu con thoi, dựa vào mật độ của không khí để làm đà tạo lực nâng cho quá trình hạ cánh. Neil Cheatwood, một kỹ sư của NASA ở trung tâm nghiên cứu Langley cho biết: “Sao Hỏa có một bầu khí quyển thưa thớt, nếu một hành tinh nào có bầu khí quyển mỏng hơn sao Hỏa thì hành tinh đó sẽ được coi như không có khí quyển.”
Cách hạ cánh điển hình xuống sao Hỏa là sử dụng dù để làm giảm tối đa gia tốc khi rơi xuống mặt đất. Mặc dù vậy, sau khi mở dù, cỗ máy vẫn sẽ rơi ở một tốc độ rất lớn. So với việc nhảy dù tự do ở Trái Đất, vận tốc sẽ thay đổi từ 120 m/h xuống thấp hơn 10 m/h sau khi chiếc dù được mở nhưng ở sao Hỏa (với vận tốc ở tầm 1.000 m/h vì bầu khí quyển mỏng), vận tốc này chỉ giảm tối đa xuống khoảng 200 m/h sau khi mở dù. “Điều này không đủ để hạ cánh trong bộ đồ du hành”, Robert Manning, kỹ sư của NASA cho biết. Trong quá khứ, những công cuộc hạ cánh xuống sao Hỏa đã từng sử dụng tên lửa và thậm chí những túi khí làm từ sợi Kevlar khổng lồ để giảm tốc độ khi hạ cánh.
Khi hạ cánh, tàu MSL sẽ mở dù dài 15,3 mét, được biết đến như dù siêu thanh – chiếc dù lớn nhất từng được sử dụng trong những nhiệm vụ giữa các hành tinh – và sẽ vẫn cần đến những cử động phức tạp để có thể hạ cánh. Một con tàu khác sẽ bắn những quả tên lửa để có thể giữ thăng bằng ở độ cao 7,5 mét so với mặt đất và từ từ giảm độ cao xuống nhờ các dây nối với tên lửa. Tuy nhiên, công nghệ này vẫn chưa được tính toán chính xác. Chiếc dù cần phải làm giảm tốc độ của một vật thể nặng 40 tấn hạ cánh xuống bầu khí quyển sao Hỏa. Micheal Wright, kỹ sư của NASA, người đồng phụ trách của hệ thống tiếp cận, giảm tốc và hạ cánh của NASA cho biết: “MSL thực sự là ngõ cụt, không một thiết bị nào có thể hạ cánh một vật nặng 40 tấn, chúng ta cần phải cùng xem xét lại ý tưởng về con tàu này”.
Sự giãn nở trong vũ trụ
Các con tàu vũ trụ tiếp cận Sao Hỏa với vận tốc lớn hơn 15.000 m/h nhưng với hình dáng các vật lớn và mỏng – càng rộng càng tốt – để có thể giảm tối đa tốc độ khi gặp tầng trên bầu khí quyển của Sao Hỏa. Vỏ bọc chống nhiệt của MSL sẽ làm nó chậm lại nhưng đường kính của chiếc vỏ này chỉ rộng 4,5 mét để có thể để vừa vào thiết bị phóng của NASA. Vì thế các nhà nghiên cứu đang tìm hiểu về thiết bị giảm tốc bằng sự phồng lên của khí động lực học (IAD). Không giống như những chiếc dù mỏng mảnh, thiết bị này sẽ rất kiên cố khi phồng lên và có thể hoạt động ở vận tốc rơi cực lớn.
Ví dụ, một HIAD (thiết bị hạ cánh siêu thanh) có thể được gấp và gói gọn vào bên trong một chiếc tên lửa cho việc cất cánh và sau đó sẽ phồng lên trước khi vào bầu khí quyển của sao Hỏa, mở rộng từ 4,5 mét đến hơn 24 mét chỉ trong vài giây. Nó sẽ được làm từ vật liệu nhẹ kiên cố và đủ cứng để có thể chịu được nhiệt độ của bầu khí quyển, ví dụ như sợi Kevlar.
NASA hiện vẫn đang lên kế hoạch thử nghiệm công nghệ mới này vào năm tới, điều này được Ian Clark, một kỹ sư của trung tâm Jet ProPulsion Larboratory cho hay. Vào tháng 1, các kỹ sư sẽ cho một khí cầu lên bầu khí quyển trên của trái đất rồi thả một vật có đường kính 4,5 mét hình chiếc bánh rán có thể phồng lên đến kích cỡ 6 mét để mô phỏng điều kiện ở Sao Hỏa. Clark rất tự tin rằng làm một chiếc IAD có đường kính 6 mét sẽ đủ chắc chắn cho việc hạ cánh. Nhưng điều lo ngại duy nhất chính là sự vững chãi của thiết bị. Thậm chí dù chỉ một sơ suất nhỏ nhất cũng sẽ làm ảnh hưởng đến việc nó hạ cánh xuống bầu khí quyển. Micheal Wright, một kỹ sư của NASA cho biết: “Kích thước càng bé sẽ càng tốt, với kích cỡ lớn, nó sẽ mang lại sự lộn xộn và phức tạp”.
Tiếp cận bầu khí quyển
Khi hạ cánh trực tiếp xuống bề mặt Sao Hỏa, một cỗ máy có thể giảm tốc độ của nó nhờ công cụ giảm tốc siêu thanh khí động lực học (SIAD). Robert Manning cho biết: “SIAD giống như một chiếc dù ngoại trừ việc nó có thể sử dụng ở độ cao lớn hơn, nhanh hơn và tốt hơn. Nó có thể tiết kiệm khá nhiều diện tích, vì thế một công cụ giảm tốc với bán kính 30 mét có thể hoàn thành tốt công cuộc hạ cánh”.
Với độ cứng của nó, công nghệ này có thể phồng lên trong quá trình hạ cánh với vận tốc gấp 4 hoặc 5 lần tốc độ âm thanh ở trên bầu khí quyển của sao Hỏa – gia tốc mà chiếc dù bình thường không thể chịu đựng. SIAD sẽ sử dụng bề mặt lớn của nó để tăng lực kéo vào cỗ máy và làm giảm tốc độ rơi đến mức tối đa. Không giống như một chiếc dù, SIAD không để lại một đống lộn xộn phía sau cỗ máy, thay vào đó nó sẽ như chiếc ô khổng lồ bao bọc toàn bộ cỗ máy.
Các kỹ sư ước tính rằng hàng trăm nhiệm vụ có con người tham gia sẽ cần đến SIAD ở cỡ từ 23 tới 48 mét. Một điều duy nhất khiến các nhà khoa học phải suy nghĩ là nhiệt lượng mà SIAD sẽ gặp phải khi xuyên qua bầu khí quyển Sao Hỏa. Các vật liệu tân tiến hay một tấm khiên chống nhiệt có thể sẽ hoàn thành tốt việc này. Nhưng vấn đề cần suy nghĩ ở đây là làm thế nào để tạo ra một hệ thống SIAD đủ lớn để có thể mở một cách nhanh chóng, Neil Cheatwood cho biết: “Ở một khía cạnh nào đó, nó quá lớn để có thể mở tức thì”.
Cheatwood nói rằng ông sẽ không thấy thoải mái khi tạo nên một chiếc SIAD với kích cỡ lớn hơn 15 mét và ông cũng không chắc hoàn toàn rằng một chiếc to 9 mét có thể mở nhanh ở mức cần thiết. Ông cho hay: “Nếu mọi người muốn tiếp tục những dự án lớn hơn – gấp 2 hoặc 3 lần MSL – thì SIAD không phải là một lựa chọn khả quan”.
Phản lực siêu âm
Công nghệ cuối cùng có thể mang các vật thể lớn lên bề mặt Sao Hỏa có tên phản lực siêu âm. Phương pháp này liên quan đến việc con tàu vũ trụ bắn ra những chiếc tên lửa cùng hướng đang rơi để làm chậm tốc độ rơi ở mức tối đa. Phần lớn các cuộc hạ cánh xuống Sao Hỏa đều dùng tên lửa giảm tốc, nhưng việc này chỉ được thực hiện khi con tàu ở dưới vận tốc âm thanh.
Việc hạ cánh một cỗ máy lớn hơn MSL sẽ cần đến nhiều kỹ sư hơn nữa để có thể bắn tên lửa khi con tàu vẫn đang di chuyển với vận tốc lớn hơn vận tốc ánh sáng, một bài toán vô cùng khó trong khí quyển.
NASA hiện nay vẫn chưa có bất kì tài liệu nào về phản lực siêu âm, vì thế việc dự đoán sóng gây choáng này sẽ gây tổn hại con tàu đến mức độ nào là một điều vô cùng khó. Trong hai năm qua, các trung tâm nghiên cứu đã thực hiện các thí nghiệm bên trong các ống gió trên Trái Đất để có thể quan sát quan sát cách bay của các phản lực trong môi trường sóng siêu âm. Nhưng các thí nghiệm này đã bị cắt giảm rất nhiều theo chương trình nghiên cứu các chòm sao bằng việc đưa con người lên mặt trăng và Sao Hỏa sau khi nhiệm kì của Bush kết thúc.
Vấn đề này là do việc nghiên cứu không kĩ lưỡng của NASA về phản lực siêu âm và một nhiệm vụ bắt buộc đưa con người lên Sao Hỏa. Không có công nghệ này, việc đưa con người lên hành tinh Đỏ là một điều bất khả thi. Mặc dù vẫn gặp phải những phản đối nhưng ý tưởng này là một điều khả thi: đầu tiên dùng IAD sau đó là một chiếc dù để làm giảm tốc độ của vật thể xuống dưới tốc độ âm thanh, tiếp theo sử dụng tên lửa giảm tốc truyền thống, Neil Cheatwood – một kỹ sư của NASA cho biết.
Cách đưa con người lên Sao Hỏa
Robert Manning đã nói: “Nếu đưa con người lên Sao Hỏa thì sẽ cần một lượng đồ thiết yếu như: nước, thức ăn, không khí và các nguồn dự trữ năng lượng”. NASA hiện vẫn đang ước tính những thứ thiết yếu với trọng lượng khoảng 40-80 tấn hạ cánh lên bề mặt Sao Hỏa để có thể duy trì sự sống của con người. Hiện giờ các trung tâm này mới chỉ có thể hạ cánh từng tấn một với một sự cẩn thận tuyệt đối.
Bobby Braun nói: “Chúng ta sẽ không gửi 80 con tàu lên bề mặt Sao Hỏa, thay vào đó các trung tâm phải tìm cách tạo ra các thiết bị với số vốn hạn chế để hạ cánh những con tàu lớn”. Khi thời hạn cho việc đưa con người lên Sao Hỏa là một thời điểm không chắc chắn, theo kế hoạch của một số trung tâm nghiên cứu của NASA, việc đưa con người lên Sao Hỏa có thể sẽ được thực hiện vào năm 2032. Thêm vào đó các nhiệm vụ có tầm cỡ lớn như dự án lấy mẫu vật từ Sao Hỏa có thể sẽ cần đến phương tiện lớn hơn MSL trong những thập kỉ tới.
Việc phát triển các công nghệ này đòi hỏi cho việc hạ cánh cần rất nhiều thời gian để nghiên cứu, vì thế các trung tâm phải bắt đầu việc nghiên cứu từ ngay bây giờ nếu muốn đạt được mục tiêu của mình. Việc lựa chọn xem đâu là công nghệ thích hợp nhất cho nhiệm vụ chính là điều khó khăn nhất đối với mỗi trung tâm. Michael Wright đã nói: “Với từng công nghệ, chúng ta cần phải chứng minh được liệu nó có hoạt động được hay không, nếu nó có thể hoạt động, tạm thời dẹp nó sang một bên, còn nếu không, chúng ta cần một kế hoạch mới”.
Tham khảo: Wired