8. XÂY DỰNG MỘT PHI THUYỀN
Trong phim Passenger –Hành khách, Avalon, một phi thuyền hiện đại được trang bị động cơ nhiệt hạch lớn, đang đi đến Homestead II, một thuộc địa trên một hành tinh xa xôi. Các quảng cáo cho khu định cư này hấp dẫn mê say. Trái đất thì già cỗi, mệt mỏi, quá đông dân cư và bị ô nhiễm. Tại sao không tạo ra một khởi đầu mới trong một thế giới thú vị?
Cuộc hành trình mất 120 năm, trong đó hành khách được đặt trong một trạng thái sống hình được chững lại tạm thời, cơ thể của họ đông lạnh trong các vỏ kén công nghệ. Khi Avalon đi đến đích của nó, con tàu sẽ tự động đánh thức năm ngàn hành khách này. Họ sẽ trỗi dậy từ vỏ kén của mình, cảm giác sảng khoái và sẵn sàng để xây dựng một cuộc sống mới trong một ngôi nhà mới.
Tuy nhiên, trong chuyến đi, một cơn bão sao băng làm vỡ thân tàu và làm hỏng các động cơ nhiệt hạch của nó, gây ra một loạt các trục trặc. Một trong những hành khách được hồi sinh sớm, với chín mươi năm còn lại để đi trong hành trình. Anh ta trở nên cô đơn và chán nản bởi ý nghĩ rằng con tàu sẽ không hạ cánh cho đến khi anh ta chết. Tuyệt vọng cho việc không bạn đồng hành, anh quyết định đánh thức một người bạn đồng hành xinh đẹp. Một cách tự nhiên, họ nảy sinh tình yêu. Nhưng khi cô phát hiện ra rằng anh đã cố ý đánh thức cô gần một thế kỷ quá sớm, và rằng cô cũng sẽ chết trong luyện ngục liên hành tinh này, cô đã nổi đóa muốn giết chết anh chàng kia.
Những bộ phim như "Hành khách" thể hiện những nỗ lực gần đây của Hollywood để đưa một chút hiện thực vào việc khai thác chủ đề khoa học viễn tưởng của nó. Các du thuyền như "Avalon" làm cho chuyến đi của nó theo lối truyền thống, không bao giờ vượt quá tốc độ của ánh sáng. Nhưng hãy hỏi bất kỳ đứa trẻ nào tưởng tượng ra một phi thuyền, và các cô cậu ấy sẽ nghĩ ra một thứ như tàu "Enterprise" trong phim "Star Trek" hay "Millennium Falcon" từ phim "Star Wars" - có khả năng lướt đưa thủy thủ trên tàu đi nhanh như tốc độ ánh sáng du hành đoàn xuyên qua thiên hà nhẹ nhàng bằng cú hích nhẹ nhõm, và thậm chí có thể đào hầm qua [không-thời gian] và thình lình xuất hiện ở nhiều chiều không gian khác.
Một cách hiện thực thì, tàu vũ trụ đầu tiên của chúng ta có thể không có người lái và có thể không giống bất kỳ tàu viễn tưởng khổng lồ nào cả, như những kiểu dáng đẹp nào mơ mộng trong các bộ phim. Trong thực tế, chúng có thể không lớn hơn chiếc tem bưu chính. Vào năm 2016, đồng nghiệp Stephen Hawking của tôi đã làm thế giới giật mình bằng việc ủng hộ một dự án mang tên "Đột phá Starshot", dự án tìm cách phát triển "nanoships", những con chip tinh vi được đặt trên những cánh buồm không gian được nạp tràn đầy năng lượng bởi một chùm tia laser mạnh mẽ trên Trái Đất. Các con chip sẽ là kích thước của ngón tay cái của bạn cho mỗi chiếc, cân nặng ít hơn ounce, và chứa hàng tỷ bóng bán dẫn. Một trong những khía cạnh hứa hẹn nhất của nỗ lực là chúng ta có thể sử dụng công nghệ hiện có để làm cho nó xảy ra thay vì phải đợi một trăm hai trăm năm nữa. Hawking tuyên bố rằng các nanoship có thể được phát triển với giá 10 tỷ đô la cho một thế hệ công nghệ này và sử dụng một trăm tỷ watt năng lượng laser, có thể di chuyển 1/5 tốc độ ánh sáng để tới hệ thống Centauri, hệ sao gần nhất, trong hai mươi năm. Tương phản với điều này, hãy nhớ rằng mỗi nhiệm vụ đưa đón không gian với khoảng cách vẫn nằm trong quỹ đạo gần Trái đất nhưng chi phí cho chúng đã là gần 1 tỷ USD cho mỗi lần phóng.
Nanoships sẽ có thể thực hiện những gì tên lửa hóa học không bao giờ có thể. Phương trình tên lửa của Tsiolkovsky cho thấy một tên lửa Saturn thông thường không thể đến được ngôi sao gần nhất, vì nó sẽ cần nhiên liệu nhiều hơn cấp số mũ, nhanh hơn khi nó rời đi, và một tên lửa hóa học không thể mang đủ nhiên liệu cho một hành trình có chiều dài như vậy. Giả sử nó có thể đạt được các ngôi sao gần đó, chuyến đi sẽ mất khoảng bảy mươi nghìn năm.
Phần lớn năng lượng của một tên lửa hóa học tiêu hao vào việc nâng trọng lượng của nó lên không gian, nhưng các nanoship tiếp nhận cách thụ động năng lượng của nó từ các laser dựa trên mặt đất bên ngoài, vì vậy không có nhiên liệu bị lãng phí - 100% năng lượng nó tiếp nhậ thì tiêu vào việc đẩy tàu. Và vì các nanoships không phải tạo ra năng lượng riêng của chúng, chúng không có bộ phận chuyển động. Điều này làm giảm đáng kể cơ hội hỏng hóc cơ học. Chúng – các nanoships, cũng không có những vụ nổ vì hóa chất và sẽ không nổ tung trên bệ phóng hoặc trong không gian.
Công nghệ máy tính đã tiến tới giai đoạn mà chúng ta có thể đóng gói toàn bộ phòng thí nghiệm khoa học thành một con chip. Nanoships sẽ chứa máy ảnh, cảm biến, bộ hóa chất và pin mặt trời, tất cả được thiết kế để làm cho mọi chi tiết của các hành tinh và thông tin vô tuyến xa xôi trở về Trái Đất. Bởi vì chi phí của các chip máy tính đã giảm một cách không thể tin được, chúng ta có thể gửi hàng nghìn con chip đến các ngôi sao với hy vọng rằng một vài trong số chúng có thể sống sót sau hành trình nguy hiểm. (Chiến lược này bắt chước của Mẹ Thiên nhiên, trong đó thực vật phân tán hàng ngàn hạt giống nhỏ theo con gió để tăng tỷ lệ cược rằng một số sẽ thành công.)
Một nanoship lướt tới Hệ Sao Centauri với tốc độ là 20% tốc độ ánh sáng sẽ chỉ mất vài giờ để hoàn thành nhiệm vụ của nó. Trong khung thời gian đó, nó sẽ định vị các hành tinh giống Trái Đất và nhanh chóng chụp ảnh và phân tích chúng để xác định đặc tính bề mặt, nhiệt độ và thành phần của khí quyển của chúng, đặc biệt tìm kiếm sự hiện diện của nước hoặc oxy. Nó cũng sẽ quét hệ thống sao cho phát xạ vô tuyến, có thể chỉ ra sự tồn tại của trí thông minh ngoài hành tinh.
Mark Zuckerberg, người sáng lập Facebook, đã công khai ủng hộ dự án "Breakthough Starshot", và nhà đầu tư Nga và nhà vật lý cũ Yuri Milner đã ký quỹ cá nhân cam kết 100 triệu USD. Nanoships có được bước tiến xa hơn chỉ là một ý tưởng. Nhưng có một số trở ngại mà chúng ta phải cân nhắc trước khi chúng ta hoàn toàn có thể thực hiện dự án.
NHỮNG VẤN ĐỀ VỚI CÁC CÁNH BUỒM LASER
Để gửi một hạm đội nanoships đến Alpha Centauri, một dải lượng laser dưới mặt đất sẽ phải bắn một loạt các chùm tổng cộng ít nhất một trăm gigawatts vào các dù (parachuts) của tàu trong khoảng hai phút. Áp lực ánh sáng từ những chùm tia laser này sẽ khiến các con tàu phóng vào không gian. Các chùm tia phải được nhắm tới với độ chính xác đáng kinh ngạc để đảm bảo rằng các tàu chạm trúng mục tiêu của chúng. Độ lệch nhỏ nhất trong quỹ đạo của chúng họ cũng sẽ làm tổn hại đến nhiệm vụ.
Rào cản chính mà chúng ta phải đối mặt không phải là nền tảng khoa học, thứ vốn đã có sự sẵn sàng, mà là ngân sách, ngay cả khi đó có sự tham gia của một số nhà khoa học và doanh nhân hàng đầu.
Mỗi nhà máy điện hạt nhân trị giá vài tỉ đô la và chỉ có thể tạo ra một gigawatt, hoặc một tỷ watt điện. Quá trình kêu gọi gây quỹ liên bang và tư nhân cho một dải lượng laser đủ mạnh và chính xác đang có nguyên nhân gây ra với một nút cổ chai nghiêm trọng.
Khi triển khai như một bài thực hành trước khi nhắm đến các ngôi sao ở xa, các nhà khoa học có thể quyết định gửi nanoships đến các điểm đến gần hơn với hệ mặt trời. Chuyến đi chỉ mất năm giây để rít xoẹt đến mặt trăng, khoảng một tiếng rưỡi để đến được sao Hỏa, và một vài ngày để đến được Sao Diêm Vương. Thay vì chờ đợi mười năm cho một nhiệm vụ cho các hành tinh bên ngoài, chúng ta có thể nhận được thông tin mới về chúng từ nanoships trong vài ngày, và theo cách này chúng ta sẽ quan sát những phát triển trong hệ mặt trời gần như trong thời gian thực.
Trong giai đoạn tiếp theo của dự án, chúng ta có thể cố gắng thiết lập một nguồn pin bởi các khẩu pháo laser trên mặt trăng. Khi laser đi qua bầu khí quyển của Trái Đất, khoảng 60% năng lượng của nó bị mất. Một sự thuận tiện cho việc phóng ở mặt trăng sẽ giúp khắc phục vấn đề này, và các tấm pin mặt trời trên mặt trăng có thể cung cấp năng lượng điện rẻ và dồi dào để nạp nhiên liệu cho các chùm laser. Nhớ lại rằng một ngày trên mặt trăng tương đương với khoảng ba mươi ngày Trái đất, do đó năng lượng có thể được thu thập và lưu trữ trong những pin chứa một cách hiệu quả. Hệ thống này sẽ tiết kiệm cho chúng ta hàng tỷ đô la, bởi vì không giống như năng lượng hạt nhân, ánh sáng mặt trời là miễn phí.
Vào đầu thế kỷ 22, công nghệ cho robot tự sao chép cần sẽ có thể đã được hoàn thiện, và chúng ta có thể giao phó cho máy móc với nhiệm vụ xây dựng các mảng năng lượng mặt trời và pin laze trên mặt trăng, sao Hỏa và xa hơn nữa. Chúng ta có thể xuất xưởng một nhóm các automatons đầu tiên, một số trong đó sẽ khai thác regolith và những người khác trong số đó sẽ xây dựng một nhà máy. Một nhóm robot khác sẽ giám sát việc phân loại, xay xát và nấu chảy nguyên liệu thô trong nhà máy để tách và thu lại các kim loại khác nhau. Những kim loại tinh khiết này sau đó có thể được sử dụng để lắp ráp các trạm phóng laser - và một lô robot tự sao chép mới.
Cuối cùng, chúng ta có thể có một mạng lưới các trạm chuyển tiếp nhộn nhịp trong toàn bộ hệ mặt trời, có lẽ kéo dài từ mặt trăng đến tận Oor Cloud. Bởi vì sao chổi trong đám mây Oort mở rộng với khoảng cách hơn một nửa đường đến Alpha Centauri và phần lớn là đứng im, chúng có thể là vị trí lý tưởng cho các dải lượng laser có thể cung cấp thêm một sự tăng cường cho nanoships trên hành trình của chúng tới hệ thống sao lân cận. Khi mỗi nanoship đi qua một trong các trạm trung chuyển này, các laser của nó sẽ tự động bắn và cho tàu thêm một cú đẩy tiến tới các ngôi sao.
Robot tự sao chép có thể xây dựng những tiền đồn xa xôi này bằng cách sử dụng nhiệt hạch thay vì ánh sáng mặt trời làm nguồn năng lượng cơ bản.
LIGHT SAILS – CÁNH BUỒM ÁNH SÁNG
Các nanoships bằng laser chỉ là một loại trong danh mục gồm nhiều thứ khác tạo ra một con tàu lớn hơn được gọi là cánh buồm ánh sáng. Cũng giống như thuyền buồm nắm bắt được sức gió, cánh buồm ánh sáng khai thác áp suất ánh sáng từ ánh sáng mặt trời hoặc laser. Trong thực tế, nhiều phương trình được sử dụng để hướng dẫn thuyền buồm cũng có thể được áp dụng cho các cánh buồm ánh sáng trong không gian bên ngoài. Ánh sáng được tạo thành từ các hạt được gọi là photon (particle dịch thành hạt là không đúng, nhưng cũng xem như qua đó gợi mở, và phải tự tìm hiểu thêm, các gói năng lượng nhỏ đặc trưng cỡ này là gì), và khi các photon tác động vào một vật, chúng tạo ra một áp suất nhỏ. Bởi vì áp lực ánh sáng quá nhỏ, các nhà khoa học đã không nhận thức được sự tồn tại của điều đó trong một thời gian dài. Chính là Johannes Kepler, người đầu tiên chú ý đến hiệu ứng khi nhận ra rằng, trái với mong đợi, đuôi sao chổi luôn luôn chỉ về hướng ra xa mặt trời. Kepler đã phỏng đoán chính xác rằng áp lực từ ánh sáng mặt trời tạo ra những cái đuôi này bằng cách thổi bụi và băng tuyết trong sao chổi bay ra xa khỏi mặt trời.
Dự đoán của Jules Verne đã đi trước khi nói về các cánh buồm ánh sáng trong tác phẩm "Từ Trái Đất đến Mặt Trăng" khi ông viết, "Một ngày nào đó sẽ có vận tốc lớn hơn nhiều, ở những thứ mà tốc ánh sáng hoặc điện có lẽ sẽ ở trạm máy móc ... chúng ta sẽ có một ngày kia du hành đến mặt trăng, các hành tinh và các vì sao. "
Tsiolkovsky đã tiếp tục phát triển các khái niệm về cánh buồm mặt trời, hay tàu không gian thứ sử dụng áp lực ánh sáng từ mặt trời. Nhưng lịch sử của những cánh buồm mặt trời đã trở nên ảm đạm. Nasa đã không lấy chúng làm ưu tiên. Cosmos 1 của Hiệp hội Hành tinh vào năm 2005 và NanoSail-D của NASA trong năm 2008 đều bị thất bại khi khởi động. Họ đã tiếp theo đó bởi NanoSail-D2 của Nasa, thứ đã bước vào quỹ đạo Trái đất thấp vào năm 2010. Chỉ có thành công của Nhật Bản vào năm 2010. Vệ tinh IKAROS đã triển khai một chiếc buồm có kích thước 46 feet vuông và được nạp năng lượng bằng áp lực ánh sáng mặt trời. Nó đạt đến Venus trong sáu tháng, qua đó chứng minh rằng cánh buồm mặt trời là khả thi.
Ý tưởng tiếp tục được thấm lan đi, bất chấp sự tiến bộ bất thường của nó. Cơ quan Vũ trụ châu Âu đang xem xét phóng đi buồm mặt trời Gossamer, mục đích của nó sẽ là "làm mất đi" một số hàng ngàn mảnh rác không gian rải rác quanh trái đất.
Gần đây tôi đã phỏng vấn Geoffrey Landis, một nhà khoa học Nasa do MIT đào tạo, làm việc trên [chương trình sao Hỏa] cũng như trên những [cánh buồm ánh sáng]. Cả ông và vợ ông, Mary Turzillo, đều là những nhà tiểu thuyết khoa học viễn tưởng từng đoạt giải thưởng. Tôi hỏi ông làm thế nào ông thu xếp sắp hay quản lý để bắc cầu nối các thế giới khác nhau như vậy - một bên thì nổi tiếng bởi của các nhà khoa học tỉ mỉ và phương trình phức tạp của họ, phía khác đầy với các nhóm người không gian và người mê mẩn UFO. Ông trả lời rằng khoa học viễn tưởng thật tuyệt vời vì nó cho phép ông suy đoán về tương lai. Vật lý, ông nói, giữ ông lại trên mặt đất.
Chuyên môn của Landis là cánh buồm ánh sáng. Ông đã đề xuất một phi thuyền cho hành trình đến Alpha Centauri cái mà sẽ bao gồm một cánh buồm ánh sáng làm bằng một lớp siêu mỏng của một loại vật liệu giống như kim cương đó bề rộng vài trăm dặm. Con tàu là khổng lồ, nặng một triệu tấn, và sẽ đòi hỏi nguồn lực từ khắp hệ mặt trời để xây dựng và vận hành, kể cả năng lượng từ các dải lượng laser gần Mercury. Để có thể dừng lại ở đích của nó, con tàu sẽ chứa một "dù từ trường – magnetic parachute" lớn, với từ trường sản xuất bởi cuộn điện có đường kính sáu mươi dặm. Các nguyên tử hydro từ không gian sẽ đi qua cuộn dây và tạo ra ma sát, điều ấy sẽ làm chậm tốc độ của [buồm ánh sáng] trong vài thập kỷ. Một chuyến đi khứ hồi tới Alpha Centauri sẽ mất hai thế kỷ, vì vậy phi hành đoàn sẽ phải trở nên đa thế hệ. Mặc dù tàu vũ trụ nàyt trong hiện thực có thể đạt được một cách vật lý, nhưng sẽ tốn kém, và Landis thừa nhận rằng có thể mất từ năm mươi đến một trăm năm để thực sự lắp ráp và thử nghiệm. Trong khi chờ đợi, ông ta đang giúp xây dựng cánh buồm laser "Breakthrough Starshot".
ĐỘNG CƠ ION
Ngoài tia laser và cánh buồm mặt trời, có một số cách tiềm năng khác để tiếp năng lượng thêm cho một phi thuyền. Để so sánh chúng, rất hữu ích khi giới thiệu một khái niệm gọi là "xung lực đặc trưng", là lực đẩy của tên lửa nhân với thời gian mà tên lửa bắn ra. (Xung đặc trưng được đo bằng đơn vị giây). Một tên lửa càng đốt động cơ của nó càng lâu, xung lực đặc trưng của nó càng lớn hơn, từ đó vận tốc cuối cùng của nó có thể được tính toán.
Đây là một biểu đồ đơn giản xếp thứ tự xung lực đặc trưng của các loại tên lửa. Tôi không bao gồm một số mẫu thiết kế - như tên lửa laser, buồm mặt trời và tên lửa phản lực nhiệt hạch - về mặt kỹ thuật có xung lực vô hạn, từ đó động cơ của chúng có thể được bắt đốt vô thời hạn.
ĐỘNG CƠ TÊN LỬA XUNG LỰC ĐẶC TRƯNG
Tên lửa nhiên liệu rắn 250
Tên lửa nhiên liệu lỏng 450
Tên lửa phân hạch hạt nhân từ 800 đến 1.000
Động cơ ion 5.000
Động cơ Plasma từ 1.000 đến 30.000
Tên lửa nhiệt hạch hạt nhân 2.500 đến 200.000
Tên lửa xung hạt nhân 10.000 đến 1 triệu
Tên lửa phản vật chất từ 1 triệu đến 10 triệu
Chú ý rằng tên lửa hóa học, chỉ cháy trong vài phút, có xung lực thấp nhất. Tiếp theo trong danh sách là các động cơ ion, có thể hữu ích cho các nhiệm vụ đến các hành tinh gần bên. Động cơ ion khởi động bằng cách lấy một khí giống như xenon, tước các electron ra khỏi các nguyên tử của nó để biến chúng thành các ion (các mảnh điện tích của các nguyên tử), và sau đó gia tốc các ion này bằng một điện trường. Bên trong một động cơ ion mang một số điểm tương đồng với bên trong của màn hình TV, nơi điện trường và từ trường hướng dẫn một chùm electron.
Lực đẩy của động cơ quá nhỏ bé - thường được đo bằng ounce - khi bạn bật một động cơ trong phòng thí nghiệm, dường như không có gì xảy ra. Nhưng một điều như thế trong không gian, theo thời gian chúng có thể đạt được vận tốc vượt quá tên lửa hóa học. Động cơ ion đã được so sánh với con rùa trong cuộc đua với thỏ - cái mà, trong trường hợp này, sẽ là tên lửa hóa học. Mặc dù thỏ có thể chạy nước rút với tốc độ rất lớn, nhưng nó chỉ có thể làm như vậy trong vài phút trước khi nó cạn kiệt. Con rùa, mặt khác, là chậm hơn nhưng có thể đi bộ trong nhiều ngày và do đó thắng cuộc thi đường dài. Các tên lửa ion có thể hoạt động trong nhiều năm tại một thời điểm và do đó có xung lực đặc trưng lớn hơn đáng kể so với tên lửa hóa học.
Để tăng sức mạnh của một động cơ ion, người ta có thể ion hóa khí bằng cách sử dụng lò vi sóng hoặc sóng radio và sau đó sử dụng từ trường để tăng tốc các ion. Điều này được gọi là động cơ plasma, theo lý thuyết, có thể cắt giảm thời gian di chuyển xuống sao Hỏa từ chín tháng xuống dưới bốn mươi ngày, theo những người đề xuất, nhưng công nghệ vẫn đang được phát triển. (Một yếu tố hạn chế đối với động cơ plasma là lượng điện lớn cần thiết để tạo ra plasma, thậm chí có thể đòi hỏi một nhà máy điện hạt nhân cho các nhiệm vụ liên hành tinh.)
Nasa đã nghiên cứu và chế tạo các động cơ ion trong nhiều thập kỷ. Ví dụ, Deep Space Transport, có thể đưa phi hành gia của chúng ta đến sao Hỏa vào những năm 2030, sử dụng động cơ đẩy ion. Vào cuối thế kỷ này, các động cơ ion sẽ rất có thể trở thành xương sống của các nhiệm vụ không gian liên hành tinh. Mặc dù tên lửa hóa học vẫn có thể là lựa chọn tốt nhất cho các nhiệm vụ nhạy cảm với thời gian, động cơ ion sẽ là một sự lựa chọn vững chắc, đáng tin cậy khi thời gian không phải là yếu tố quan trọng nhất.
Ngoài các động cơ ion trên biểu đồ xung cụ thể, là các hệ thống đẩy có tính phỏng đoán lý thuyết cao hơn. Chúng ta sẽ thảo luận về mỗi loại trong số chúng ở các trang liền sau.
TƯƠNG LAI NHÂN LOẠI - MICHIO KAKU
Bản dịch của ĐỖ BÁ HUY
Phần tiếp theo >>
