Hỏa tinh là một trong những vật thể sáng nhất trên bầu trời đêm, dễ dàng nhìn thấy bằng mắt trần dưới dạng một ngôi sao đỏ lấp lánh. Cứ khoảng hai năm một lần, Hỏa tinh và Trái đất lại tiến đến điểm gần nhau nhất của chúng, khi đó Hỏa tinh ở cách Trái đất khoảng 55.000.000 km. Và cứ khoảng hai năm một lần, các cơ quan nghiên cứu vũ trụ lại khai thác sự thẳng hàng quỹ đạo này để đưa phi thuyền lên Hành tinh Đỏ. Vậy mất bao lâu thời gian để một phi thuyền đi tới đích đến của nó?
Tổng thời gian hành trình từ Trái đất lên Hỏa tinh là từ 150 đến 300 ngày, tùy thuộc vào tốc độ phóng, sự thẳng hàng của Trái đất và Hỏa tinh, và lộ trình phi thuyền bay để đạt tới mục tiêu của nó. Vấn đề thật ra chỉ phụ thuộc vào bạn sẵn sàng đốt cháy bao nhiêu nhiên liệu để đi tới đích. Nhiên liệu càng nhiều thì thời gian đi càng ngắn.
Lịch sử du hành sao Hỏa
Phi thuyền vũ trụ đầu tiên từng bay từ Trái đất đến Hỏa tinh là tàu Mariner 4 của NASA, phóng lên hôm 28 tháng 11, 1964, và đến hành tinh đỏ hôm 14 tháng 7, 1965, chụp thành công 21 bức ảnh. Tổng thời gian bay của Mariner 4 là 228 ngày.
Sứ mệnh thành công tiếp theo đến Hỏa tinh là Mariner 6, phóng lên hôm 25 tháng 2, 1969, và đến nơi hôm 31 tháng 7, 1969; thời gian bay chỉ vỏn vẹn 156 ngày. Còn phi thuyền Mariner 7 chỉ cần 131 ngày là đến nơi.
Mariner 9, phi thuyền vũ trụ đầu tiên thành công trong việc đi vào quỹ đạo vòng quanh Hỏa tinh được phóng hôm 30 tháng 5, 1971, và đến nơi hôm 13 tháng 11, 1971, với hành trình 167 ngày.
Tóm lại, với gần 50 năm thám hiểm Hỏa tinh thì thời gian bay từ Trái đất lên hành tinh đỏ là chừng 150-300 ngày.
Thêm một số ví dụ khác:
- Viking 1 (1976) – 335 ngày
- Viking 2 (1976) – 360 ngày
- Mars Reconnaissance Orbiter (2006) – 210 ngày
- Phoenix Lander (2008) – 295 ngày
- Curiosity Lander (2012) – 253 ngày
Tại sao lại mất nhiều thời gian như vậy?
Khi bạn xét đến thực tế Hỏa tinh chỉ ở cách chúng ta 55 triệu km, và phi thuyền vũ trụ chuyển động với tốc độ hơn 20.000 km/h, bạn sẽ thấy phi thuyền thực hiện chuyến hành trình trong khoảng 115 ngày thôi, nhưng thực tế thời gian mất nhiều hơn. Đây là vì cả Trái đất và Hỏa tinh đều đang quay xung quanh Mặt trời. Bạn không thể hướng thẳng đến Hỏa tinh và bắt đầu khai hỏa tên lửa thẳng tiến, vì lúc bạn đến chỗ ấy thì Hỏa tinh đã di chuyển đến nơi khác rồi. Thay vậy, phi thuyền phóng lên từ Trái đất cần hướng đến nơi Hỏa tinh chuẩn bị tiến đến.
Ràng buộc còn lại là nhiên liệu. Một lần nữa, nếu bạn có một lượng nhiên liệu không giới hạn, thì bạn sẽ hướng phi thuyền của mình vào Hỏa tinh, khai hỏa tên lửa đến điểm giữa hành trình, sau đó rẽ hướng và giảm tốc trong nửa chuyến đi còn lại. Bạn có thể chia thời gian bay xuống còn một phần của tốc độ hiện nay – nhưng bạn sẽ cần một lượng nhiên liệu không có khả năng đáp ứng nổi.
Làm thế nào đi lên Hỏa tinh với lượng nhiên liệu ít nhất?
Mối bận tâm của các kĩ sư là làm thế nào đưa một phi thuyền vũ trụ đến Hỏa tinh với lượng nhiên liệu tối thiểu. Sử dụng rô bôt thì không cần quan tâm đến môi trường không gian khắc nghiệt, nên giảm chi phí phóng tên lửa được bao nhiêu hay bấy nhiêu.
Các kĩ sư NASA sử dụng một phương pháp du hành gọi là Quỹ đạo Di chuyển Hohmann – hay Quỹ đạo Di chuyển Năng lượng Tối thiểu – để đưa một phi thuyền vũ trụ từ Trái đất lên Hỏa tinh với lượng nhiên liệu ít nhất có thể được. Walter Hohmann lần đầu tiên đề xuất kĩ thuật trên vào năm 1925.
Thay vì hướng tên lửa của bạn nhằm thẳng vào Hỏa tinh, bạn nâng quỹ đạo của phi thuyền vũ trụ sao cho nó đi theo một quỹ đạo lớn hơn quỹ đạo của Trái đất xung quanh Mặt trời. Cuối cùng thì quỹ đạo đó sẽ cắt qua quỹ đạo của Hỏa tinh – đúng tại thời khắc Hỏa tinh cũng có mặt ở đó.
Nếu bạn muốn phóng phi thuyền với ít nhiên liệu hơn, bạn chỉ việc cho phi thuyền nâng quỹ đạo lâu hơn, và tăng thời gian du hành đến Hỏa tinh.
Những cách khác có thể giảm thời gian du hành đến Hỏa tinh
Mặc dù đòi hỏi phải có sự kiên nhẫn để chờ đợi một phi thuyền bay suốt 250 ngày mới tới sao Hỏa, nhưng chúng ta có thể muốn có một phương pháp đẩy hoàn toàn khác nếu chúng ta muốn đưa người lên sao Hỏa. Không gian vũ trụ là một môi trường khắc nghiệt, và bức xạ của không gian giữa các sao có thể gây nguy hiểm dài hạn đối với sức khỏe của nhà du hành vũ trụ. Các tia vũ trụ liên tục nện giáng bức xạ gây ung thư, nhưng có một nguy cơ còn lớn hơn nữa là bão mặt trời, chúng có thể giết chết nhà du hành vũ trụ không được bảo vệ chu đáo chỉ trong vài giờ đồng hồ. Nếu bạn có thể giảm thời gian du hành, thì bạn đã giảm thời gian nhà du hành bị chiếu xạ nguy hiểm, và giảm tối thiểu lượng nhu yếu phẩm họ cần mang theo cho hành trình bay trở về.
Đẩy bằng năng lượng hạt nhân
Một ý tưởng là dùng tên lửa hạt nhân, làm nóng một chất lỏng hoạt động – như hydrogen – trước nhiệt độ cao trong một lò phản ứng hạt nhân, và sau đó thổi nó ra khỏi vòi tên lửa ở tốc độ cao để tạo ra sức đẩy. Vì nhiên liệu hạt nhân giàu năng lượng hơn nhiều so với tên lửa hóa học, nên bạn có thể thu được vận tốc đẩy cao hơn với ít nhiên liệu hơn. Theo đề xuất thì một tên lửa hạt nhân có thể giảm thời gian du hành xuống còn khoảng 7 tháng.
Đẩy bằng điện từ
Một đề xuất khác là một công nghệ gọi là Tên lửa MagnetoPlasma Xung Riêng Biến thiên (hay VASIMR). Đây là một bộ đẩy điện từ sử dụng sóng vô tuyến để làm ion hóa và làm nóng một chất nổ đẩy. Chất này tạo ra một chất khí ion hóa gọi là plasma có thể bị đẩy bằng lực điện từ ra phía sau của phi thuyền ở tốc độ cao. Nhà cựu du hành vũ trụ Franklin Chang-Diaz đang đi tiên phong phát triển công nghệ này, và người ta chờ đợi một nguyên mẫu được lắp đặt trên Trạm Vũ trụ Quốc tế để giúp nó duy trì độ cao so với mặt đất. Trong một sứ mệnh lên sao Hỏa, một tên lửa VASIMR có thể giảm thời gian du hành xuống còn 5 tháng.
Đẩy bằng phản vật chất
Có lẽ một trong những đề xuất cực độ nhất là sử dụng tên lửa phản vật chất. Đã được tạo ra trong các máy gia tốc hạt, phản vật chất là nhiên liệu đậm đặc nhất mà bạn có thể sử dụng. Khi các nguyên tử vật chất gặp các nguyên tử phản vật chất, chúng chuyển hóa thành năng lượng thuần túy, như đã được tiên đoán bởi phương trình nổi tiếng của Albert Einstein: E = mc2. Chỉ cần 10 milligram phản vật chất là đủ để đẩy một sứ mệnh có người lái lên Hỏa tinh chỉ trong thời gian 45 ngày. Nhưng hiện nay, việc tạo ra một lượng nhỏ phản vật chất thôi cũng đã tiêu tốn chừng 250 triệu đô la.
Những sứ mệnh tương lai đến sao Hỏa
Mặc dù một số công nghệ hết sức lạ đã được đề xuất để rút ngắn thời gian du hành đến sao Hỏa, nhưng các kĩ sư vẫn sẽ sử dụng các phương pháp đã được thử nghiệm là đi theo quỹ đạo di chuyển năng lượng tối thiểu sử dụng các tên lửa hóa học. Sứ mệnh MAVEN của NASA sẽ phóng vào năm 2013 sử dụng kĩ thuật này, các sứ mệnh ExoMars của ESA cũng vậy. Có lẽ vài thập niên nữa thì những phương pháp còn lại mới trở thành công nghệ thông dụng.
123physics (thuvienvatly.com)
Nguồn: Universe Today
