Ad astra! Vươn tới những vì sao!

• Sidney Perkowitz (Physics World, tháng 01/2012)

Với ước mơ chế tạo một phi thuyền vũ trụ trong vòng 100 năm tới có thể đi tới các ngôi sao, một nhóm người say mê vũ trụ hiện đang vạch ra những kế hoạch chính xác xem chúng ta có thể đi tới đó như thế nào.

Minh họa dự án phi thuyền sao Daedalus do Hội Liên hành tinh Anh quốc thiết kế vào năm 1973. (Ảnh: Adrian Mann)

Một phi thuyền của người ngoài hành tinh do thám lòng quả cảm khoa học của Trái đất có lẽ đã nhắm vào Trung tâm Vũ trụ Kennedy của NASA ở Florida hồi tháng 9 năm ngoái. Nhưng những người ngoài hành tinh có thể học hỏi được nhiều hơn nếu họ chịu khó bay thêm vài dặm theo hướng tây đến dự hội nghị 100 Năm Nghiên cứu Phi thuyền Sao (100YSS) ở Orlando. Tại đó, họ sẽ thấy rằng công nghệ vũ trụ của loài người bị hạn chế, nhưng trong khi chứng kiến hàng trăm người tham gia sự kiện – từ những nhà du hành vũ trụ và kĩ sư cho đến họa sĩ, sinh viên, và nhà viết tiểu thuyết viễn tưởng – những người ngoài hành tinh cũng sẽ bắt gặp khát vọng phiêu lưu, ngoan cố, điên khùng và vinh quang của con người muốn vươn tới những vì sao.

Có lẽ khát vọng đích thực đi tới các ngôi sao bằng phi thuyền vũ trụ phát sinh vì những mặt trời xa xăm này có vẻ luôn luôn mang lại một khả năng cao và xa xôi của sự tồn tại. Thật vậy, Aristotle đã đặt những ngôi sao cố định ở xa Trái đất nhất – tâm của mô hình vũ trụ của ông – và ở gần nhất là Đấng sáng chế gây ra chuyển động vũ trụ. Cụm từ "sic itur ad astra", hay “thế là con người đi tới các vì sao” – trích từ nhà thơ La Mã Virgil – muốn nói tới việc đạt tới sự thần thánh hay bất tử. Nhưng một cụm từ khác – "per aspera ad astra", “băng qua gian khó đi tới những vì sao” – nhắc nhở chúng ta rằng chẳng dễ gì đi tới, ngoại trừ trong truyện khoa học viễn tưởng, vì những khó khăn do những khoảng cách khổng lồ mà chuyến hành trình đó phải vượt qua.

Nay, với sự thám hiểm hệ mặt trời của cơ quan vũ trụ Mĩ NASA và những cơ quan nghiên cứu khác đang diễn ra tốt đẹp, và với việc khám phá ra hàng trăm hành tinh ngoại đang quay xung quanh những ngôi sao xa xôi, có lẽ đã đến lúc nhắm tới bước nhảy lớn tiếp theo của chúng ta hướng ra bên ngoài.

“Lên đường nào” – nhưng chưa phải bây giờ

100YSS là hội nghị đầu tiên cho phép các chuyên gia, những người đam mê và đông đảo công chúng tập hợp lực lượng và xem xét nghiêm túc sự du hành giữa các sao. Thật bất ngờ, hội nghị không phải do NASA tài trợ mà do Cơ quan Các dự án Quốc phòng Cao cấp (DARPA) thuộc Bộ Quốc phòng Mĩ, tổ chức chi tiền cho nỗ lực trên. DARPA ủng hộ nghiên cứu khoa học quân sự mới lạ, và nó sẵn sàng ủng hộ những quan điểm “râu ria” trước đây, mặc dù việc xây dựng một phi thuyền sao trông có vẻ vượt ngoài tầm bao quát của nó.

Nhưng như chỉ rõ tại cuộc họp bởi nhân viên DARPA David Neyland, người đã khởi xướng và tổ chức 100YSS, các ứng dụng quân sự và dân sự có thể thu về từ những tiến bộ trong lĩnh vực khoa học rô bôt, vật liệu học và những lĩnh vực khác được phát triển để sử dụng trong không gian. Cũng đã tài trợ khá tốt cho những nghiên cứu khác liên quan đến vũ trụ, DARPA tin tưởng rằng những quan niệm mới không thể tưởng tượng nổi sẽ xuất hiện từ một dự án thiết kế và có lẽ còn xây dựng một phi thuyền sao trong vòng một thế kỉ tới. Mặc dù không nhất thiết đi tới một ngôi sao trong thời gian đó, nhưng dự án sẽ thúc đẩy rất nhiều sự phát triển khoa học và xã hội.

Voyager 1, phi thuyền vũ trụ do NASA phóng lên hồi năm 1977, là vật thể nhân tạo từng đi xa nhất, nhưng nó chỉ mới đi được 0,002 năm ánh sáng trong 34 năm qua. (Ảnh: NASA/JPL-Caltech)

Thật là một sự mỉa may, mặc dù chúng ta nghĩ việc gửi con người và máy móc đi xuyên hệ mặt trời là công việc khó khăn, nhưng thật ra nó là việc đơn giản, so với việc phải băng qua khoảng không vô tận giữa chúng ta và các vì sao. Công nghệ sức đẩy hiện nay chỉ đưa phi thuyền vũ trụ chuyển động với tốc độ bằng 0,005% tốc độ ánh sáng, hay 0,00005 c. Điều đó có nghĩa là để đi tới Alpha Centauri, hệ sao gần mặt trời nhất nhưng cách xa chúng ta hơn 4 năm ánh sáng, sẽ cần một chuyến đi khoảng 80.000 năm. Để so sánh, vật thể nhân tạo từng đi xa nhân loại nhất, phi thuyền Voyager 1 của NASA, đã đi trong 34 năm kể từ khi nó được phóng lên hồi năm 1977, tương ứng với chỉ 0,002 năm ánh sáng trong vũ trụ.

Tốc độ 0,00005 c đó có khả năng được cải thiện nhưng chỉ với những giá trị nhỏ hơn c nhiều. nên một phi thuyền vũ trụ nhắm tới những ngôi sao ở gần hay ở xa sẽ phải dung dưỡng con người bên trong nó trong hàng thập kỉ hoặc cả thiên niên kỉ. Việc phóng lên hay thậm chí việc phát triển nghiêm túc một thế giới thu nhỏ sẽ đòi hỏi một sự đầu tư lớn trong nghiên cứu, và trong lĩnh vực tài nguyên vật chất và con người. Nhưng trước khi chúng ta có được những chi tiết này, trước tiên chúng ta phải hiểu rõ và giải quyết trọn vẹn bài toán sức đẩy.

Tăng tốc độ

Một phi thuyền sao cần một động cơ tên lửa phát triển sức đẩy một cách hiệu quả, vì phi thuyền phải tăng tốc trong một khoảng thời gian lâu dài để đạt tới tốc độ cao. Và khó khăn là ở chỗ: sự gia tốc lâu có nghĩa là phi thuyền phải mang nhiều nhiên liệu, khối lượng nhiên liệu đó làm cản trở sự tăng tốc và chỉ cho phép một tải trọng nhỏ. Các tên lửa hóa học như Saturn – tên lửa đã mang con người lên Mặt trăng trong ba tầng và đốt cháy một dẫn xuất dầu lửa hoặc hydrogen lỏng với oxygen lỏng – sẽ không làm được như thế. Những tên lửa này tạo ra sức đẩy lớn nhưng cần rất nhiều nhiên liệu để hoạt động, thành ra mang lại sức đẩy tính trên bình quân kilogram nhiên liệu là nhỏ.

Lí giải này được định lượng ở dạng một phiên bản nổi tiếng của định luật III Newton, suy luận ra vào năm 1903 bởi nhà tiên phong tên lửa học người Nga Konstantin Tsiolkovsky, công thức liên hệ tốc độ của tên lửa với sức đẩy và tải trọng của nó. Sử dụng những thông số thích hợp, phương trình tên lửa mang lại một lời kết cuối cùng: giống như con lạc đà không thể mang đủ thức ăn để tự nuôi sống nó khi nó bước đi nặng nề trong sa mạc, một tên lửa hóa học có khả năng không thể mang đủ nhiên liệu để tiếp tục bay đi và đạt tới một tốc độ đáng kể so với c.

Để giảm tải trọng nhiên liệu, các nhà tên lửa học đã khảo sát những loại nhiên liệu hiệu quả hơn khi tính theo năng lượng trên mỗi kilogram mà chúng cung cấp. Nguồn năng lượng hiệu quả nhất là sự phân hủy vật chất-phản vật chất, cái nghe giống như truyện khoa học viễn tưởng và thật ra đã là nguồn năng lượng cho phi thuyền vũ trụ trong bộ phim Star Trek. Ưu điểm của quá trình này là nó mang lại tỉ số năng-lượng-trên-khối-lượng của c² tối đa khi nó biến đổi hoàn toàn từ dạng này thành dạng khác theo công thức E = mc². Nhưng vì cho đến nay chúng ta chỉ mới tạo chừng vài phần nano gram phản vật chất, trong Máy Va chạm Hadron Lớn khổng lồ của CERN, nên sức đẩy phản vật chất dường như chẳng phải là một khả năng thực tế.

Tên lửa nhiệt hạt nhân sẽ triển khai những phản ứng phân hạch hạt nhân tương tự như những phản ứng đã triển khai an toàn trong các tàu ngầm hạt nhân. Nguồn năng lượng này cũng sẽ cung cấp điện cho các hoạt động và thiết bị khoa học. (Ảnh: Pat Rawlings (SAIC)/NASA)

Nhiên liệu hạt nhân kém hiệu quả hơn so với sự phân hủy vật chất-phản vật chất nhưng vẫn mang lại gấp hàng triệu lần mật độ năng lượng của các nhiên liệu hóa học. Trong sự đẩy xung hạt nhân, được đề xuất hồi thập niên 1940, một phi thuyền sao sẽ thả ra những quả bom phân hạch hoặc nhiệt hạch phía sau nó và cho chúng nổ để đẩy phi thuyền về phía trước. Thật vậy, vào năm 1958, dưới Dự án Orion thuộc DARPA, Freeman Dyson thuộc Viện Nghiên cứu Cao cấp đã thiết kế một phi thuyền đồ sộ được lái đi ở tốc độ 0,033 c bởi hàng trăm nghìn quả bom nhiệt hạch. Cứ cho là phi thuyền có thể được chế tạo với công nghệ khi đó, nhưng may thay hiệp ước Cấm Thử Hạt Nhân năm 1963 đã ngăn không cho phát triển thêm nữa phương pháp lực đẩy hết sức tàn bạo này.

Năng lượng nhiệt hạch và laser

Một phương pháp trau chuốt hơn xuất hiện vào năm 1973 từ Hội Liên hành tinh Anh quốc (BIS), một nhóm tư nhân gồm “những người đam mê du hành vũ trụ” thành lập vào năm 1933. Dự án Daedalus của hội đã khảo sát việc sử dụng sự nhiệt hạch hạt nhân trong một buồng phản ứng để đi tới các vì sao trong quãng đời của con người, mặc dù không có con người bay cùng. Các nhà khoa học và kĩ sư tình nguyện đã thiết kế một phi thuyền khảo sát không người lái để thám hiểm Ngôi sao Barnard ở xa 5,9 năm ánh sáng, ngôi sao được cho là có một hành tinh quay xung quanh (ngày nay được biết là không có). 53.000 tấn của phi thuyền theo kế hoạch chủ yếu gồm nhiên liệu deuterium và helium-3, với chỉ 450 tấn tải trọng; nhưng với tốc độ 0,12 c nó sẽ đi tới mục tiêu trong 50 năm.

Ảnh minh họa phi thuyền IKAROS của Nhật đang bay. (Ảnh: CC BY-SA 3.0/Andrzej Mirecki)

Một phương pháp khác, thật bất ngờ là chẳng cần nhiên liệu gì cả, trở lại với Johannes Kepler, người hồi năm 1619 đã phỏng đoán rằng ánh sáng làm chệch hướng đuôi của các sao chổi. Các photon có thể đẩy một cánh buồm để lái một phi thuyền vũ trụ, như đã minh chứng trong năm 2010 bởi Cơ quan Thám hiểm Hàng không Vũ trụ Nhật Bản (JAXA). Sau khi phóng, phi thuyền IKAROS của JAXA đã bung ra một cánh buồm 200m² và được tăng tốc bằng ánh sáng mặt trời. (IKAROS là viết tắt của Phi thuyền Cánh diều Liên hành tinh Gia tốc bằng Bức xạ của Mặt trời – một chút dính dáng với Icarus trong thần thoại Hi Lạp, con trai của Daedalus, người đã bay quá gần mặt trời.) Mặc dù công suất của Mặt trời giảm theo bình phương khoảng cách, nhưng một chùm laser hoặc vi sóng sít sao có thể đẩy cánh buồm đi mạnh hơn và lâu hơn. Theo một ước tính nêu ra tại 100YSS, một laser công suất hàng terawatt có thể mang một phi thuyền đến tốc độ 0,13 c.

Những phương pháp này đang được nghiên cứu thêm. Vào năm 2009, các thành viên BIS và Quỹ Tau Zero, một nhóm tư nhân khác, đã khởi xướng Dự án Icarus để nâng cấp sức đẩy nhiệt hạch như đề xuất trong Dự án Daedalus. Nhưng hàng thập kỉ nỗ lực khoa học cho đến nay vẫn chưa thật sự mang lại năng lượng hữu ích, mặc dù sự giam cầm quán tính bằng laser, hiện đang được kiểm tra tại Cơ sở Đánh lửa Quốc gia (NIF) ở Phòng thí nghiệm quốc gia Lawrence Livermore ở California, trông có vẻ hứa hẹn. Như đã biết, NIF còn chứng minh rằng sức đẩy dạng chùm tia có thể linh hoạt vì các laser của nó được lên kế hoạch để phân phối hàng terawatt công suất. Tuy nhiên, NIF có kích cỡ bằng sân vận động và tiêu tốn bạc tỉ, nên một nguồn dạng chùm tia chuyên dụng sẽ là nhiệm vụ chính.

Nhanh hơn ánh sáng

Mặc dù những phương pháp này có thể đã được phát triển khá sớm, nhưng những người đam mê với giấc mơ to tát hơn còn muốn vượt quá tốc độ khoảng 0,1 c và thậm chí vượt quá c. Nhưng vì sự du hành nhanh hơn ánh sáng (FTL) vi phạm thuyết tương đối đặc biệt, nên đây là chỗ mà khoa học sức đẩy rắn trở nên mang tính suy đoán hay “kì lạ”, như nó thường được gọi một cách lịch sự.

Truyện khoa học viễn tưởng lâu nay đã sử dụng những phương pháp kì lạ ví dụ như “lái cuộn”, phương pháp cho phép du hành FTL trong bộ phim Star Trek nhưng trên thực tế phát sinh sớm hơn nhiều. Vào năm 1931, John W Campbell đã sử dụng khái niệm không-thời gian biến dạng từ thuyết tương đối tổng quát để đưa sự du hành FTL vào câu chuyện của ông, “Những hòn đảo vũ trụ”. Những người anh hùng trong câu chuyện đó vây kín phi thuyền vũ trụ của họ trong một “siêu không gian” cuộn lại cho phép nó chuyển động hết sức nhanh, đi tới ngôi sao Alpha Centauri chỉ trong một phần năm của một giây.

Trong Star Trek, con tàu USS Enterprise sử dụng một lò phản ứng vật chất-phản vật chất để tạo ra một “bọt cuộn”, một trường dịch chuyển cho phép phi thuyền chuyển động nhanh hơn ánh sáng, mặc dù các chi tiết cụ thể trong các tập phim là khác nhau. (Ảnh: Paramount Television/The Kobal Collection)

Thuyết tương đối tổng quát trên nguyên tắc thật sự mang lại những phương pháp tránh được giới hạn tốc độ. Hồi năm 1994, nó đã truyền cảm hứng cho nhà vật lí lí thuyết Miguel Alcubierre tại trường Đại học Wales đi tới một phương pháp FTL tương tự như phương pháp của Campbell. Quan điểm của ông là làm nén không-thời gian ở phía trước một phi thuyền sao và làm giãm không-thời gian phía sau nó, tạo ra một cái bọt đẩy phi thuyền đi ở tốc độ bất kì mà không vi phạm thuyết tương đối đặc biệt. Mặc dù cơ sở toán học là hoàn hảo, nhưng quan điểm giản hóa luận này đòi hỏi khối lượng âm, cái chúng ta biết là không tồn tại.

Phương pháp này và những phương pháp khác đã được khảo sát trong chương trình Vật lí Sức đẩy Đột phá (BPP) của NASA, triển khai từ năm 1996 đến 2002 và tìm kiếm những phương pháp mới biến sự du hành giữa các sao thành khả thi. Vào năm 2008, giám đốc Marc Millis của BPP đã kết luận rằng “không có đột phá nào có vẻ sắp xảy ra”. Ba năm sau đó, động cơ Alcubierre, lỗ sâu đục vũ trụ học, quán tính lượng tử hóa và những chi tiết kì lạ khác đã nhận được sự phán quyết giống như vậy tại 100YSS: James Benford thuộc nhóm Các khoa học Vi sóng, chủ tọa và là người tóm tắt các đề tài sức đẩy, đã mô tả những phương pháp trên hiện nay là “một cây cầu còn quá xa vời”. (Điều tương tự có thể nói với sự vướng víu lượng tử, cái được trình bày tại 100YSS là một phương tiện tiềm năng của sự truyền thông FTL – trái với kiến thức khoa học hiện nay.)

Con người khỏe mạnh, hạnh phúc

Trong tương lai trước mắt, có lẽ chúng ta sẽ bám lấy những tốc độ gần 0,1 c nhất, với thời gian du hành giữa các sao kéo dài. Để giải quyết khả năng dễ thấy là các du hành gia trên phi thuyền sao sẽ phải hoạt động trên tàu trong hàng thập kỉ hay lâu hơn, 100YSS đã bàn đến những giải pháp thay thế cho việc nhồi nhét con người vào trong một cái hộp thép trong những khoảng thời gian dài ngày, và về việc xây dựng những con tàu “thế hệ” nếu điều đó tỏ ra cần thiết. Những giải pháp thay thế bao gồm sinh khí treo, và phi thuyền không người lái có thể gửi báo cáo về hoặc mang theo ADN và những tài nguyên khác cần thiết để tái tạo con người lúc tới nơi ở một hành tinh ngoại.

Nhưng việc gửi đi những con người hoàn chỉnh, trong khi giữ cho họ khỏe khoắn, lành mạnh và tích cực trong một thế giới khép kín và cô lập (sự truyền thông vô tuyến với Trái đất sẽ bị trễ đi một năm mỗi khi phi thuyền đi thêm được một năm ánh sáng) làm phát sinh rất nhiều vấn đề. Một số vấn đề trong số này đã được nhìn thấy trước trong truyện khoa học viễn tưởng, như trong câu chuyện cảnh giác của Robert Heinlein, Vũ trụ, hồi năm 1941. Như lời quảng cáo của cuốn sách trên nêu rõ, “Thế giới của họ là một phi thuyền sao khổng lồ, mục đích và đích đến của nó bị mất trong hàng thế kỉ trôi giạt giữa các vì sao.” Để làm cho câu chuyện thêm phần li kì, trang bìa còn minh họa hai nam phi hành đoàn có vóc dáng đẹp và mái tóc chải tươi tắn – ngoại trừ một trong hai người trưng diện đến hai cái đầu!

Mặc dù như thế này là hơi cường điệu, nhưng bức xạ gây hại có thể tạo ra các biến dị chỉ là một trong những trở ngại phải đối mặt trong một môi trường nhân tạo dài ngày. Cùng với sức đẩy, việc lên kế hoạch, chế tạo và lái một phi thuyền sao dài ngày sẽ là dự án khoa học phức tạp nhất từ trước đến nay. Các tiểu ban tại 100YSS đã xem xét làm thế nào làm chủ một nỗ lực như thế, xử lí những câu hỏi như làm thế nào tìm ra công nghệ tốt nhất và tìm kiếm nguồn tài trợ ở đâu. Để thúc đẩy dự án, DARPA muốn chuyển sang lộ trình tư nhân hóa: họ chi 500.000 đô la để phát triển “một tổ chức phi chính phủ vì sự đầu tư tư nhân, dài hạn và liên tục vào vô số ngành cần thiết để làm cho sự du hành vũ trụ đường dài thành khả thi”.

Động cơ phản lực giữa các sao Boussard sử dụng hydrogen làm nhiên liệu. Trong một phiên bản, một laser trên tàu được sử dụng để làm nóng plasma và sau đó kích hoạt các xung nhiệt hạch, từ đó tạo ra sức đẩy. (Ảnh: NASA Marshall Space Flight Center Collection)

Chúng ta nên hay không nên?

Bất chấp mọi khoa học tại 100YSS, việc xây dựng một phi thuyền sao thì phức tạp hơn so với việc xây dựng một thánh đường trung cổ lớn trong nhiều năm. Xét cho cùng, có một thứ tôn giáo hay xu hướng tín ngưỡng nhất định trước câu hỏi cơ bản: tại sao tìm kiếm các vì sao?

Thật vậy, một số người thuyết trình tại 100YSS đã nhìn thấy những lợi ích tâm hồn to lớn trước sự du hành sao. Trong số họ có Anousheh Ansari, một nữ doanh nhân và là người Iran đầu tiên trong vũ trụ, đã cảm thấy bản thân mình thay đổi sau chuyến trải nghiệm của bà hồi năm 2006 với tư cách một nhà du hành vũ trụ tư nhân, và Thomas Hoffmann, một mục sư Tin lành ở Tulsa, Oklahoma, người xem sự du hành đến các sao là mang sự cảm thụ tôn giáo vào một không gian thiêng liêng mới. Những người khác thì nói về một “nhu cầu luân lí” một lần nữa bắt đầu bằng cách thoát ra khỏi một nền văn minh công nghiệp đã tước đoạt hành tinh của chúng ta, hay một kế hoạch hồi sinh trogn trường hợp thảm họa toàn cầu. Và luôn luôn có một phần tinh thần con người muốn tăng tốc khám phá vũ trụ đơn giản “vì nó ở ngoài kia”.

Câu hỏi lãng mạn có một sức hút mạnh mẽ, nhưng biết rằng có nhiều trở ngại, là phải chăng giấc mơ đi giữa các sao thật ra là một cây cầu quá xa vời. Những người tham dự tại 100YSS thì thật sự tin tưởng, nhưng phần còn lại của nhân loại có chia sẻ giấc mơ đó hay không? Để đưa dự án vào khuôn khổ, vậy cái gì xác định nhu cầu hay lợi ích sẽ thuyết phục các nhà đầu tư tư nhân hay chính phủ cung cấp những khoản tiền kếch xù để đi tới những vid sao, nhất là giữa thời kì bất ổn kinh tế như hiện nay?

Nhưng, giống như việc xây dựng một thánh đường, việc xây dựng một phi thuyền sao có thể đưa nhân loại xích đến gần nhau trong một mục tiêu chung. Và giống như Steve Jobs, có lẽ một tầm nhìn thật sự có thể thấy rõ sự khát khao của hàng triệu con người và mang lại cho họ cái họ muốn trước khi họ biết họ muốn có nó – một phi thuyền sao, thay cho iPad. Nhưng tầm nhìn như thế cũng sẽ cần một nỗ lực chung nhằm thay thế cụm từ “ad astra” bằng một câu ngắn trích từ Ong biển thuộc Hải quân Mĩ, những tiểu đoàn xây dựng nổi tiếng làm cái cần thiết phải làm trong thời gian kỉ lục: “Một khi chúng tôi làm nhiệm vụ khó; thì cái không thể mất thời gian lâu hơn một chút.”

• Sidney Perkowitz, giáo sư vật lí tại trường Đại học Emory, Atlanta, Mĩ. Quyển sách mới nhất của ông là Làm chậm ánh sáng: Sự tàng hình, viễn tải và những bí ẩn khác của ánh sáng.

Alpha Physics dịch – thuvienvatly.com
Theo Physics World, tháng 1/2012

Bài trước | Bài kế tiếp