PHI THUYỀN 100 NĂM
Vào năm 2011, DARPA và Nasa đã tài trợ một hội thảo chuyên đề có tên là Phi Thuyền 100 Năm. Nó tạo ra sự quan tâm đáng kể. Mục tiêu không phải là để xây dựng một phi thuyền thực sự trong vòng một trăm năm nhưng để tập hợp những đầu óc khoa học hàng đầu, những người có thể đặt ra một chương trình nghị sự khả thi cho việc đi lại giữa các vì sao trong thế kỷ tiếp theo. Dự án được tổ chức bởi các thành viên của Old Guard, một nhóm không chính thức của các nhà vật lý và kỹ sư già, nhiều người bây giờ trong những năm bảy mươi của họ, những người tìm kiếm cách thức để hội tụ lại kiến thức tập thể của họ hòng đưa chúng ta đến các ngôi sao. Họ đã nhiệt tình giữ ngọn lửa sống ấy trong nhiều thập kỷ.
Landis là một thành viên của Old Guard. Nhưng cũng có một cặp đôi bất thường trong số đó, James và Gregory Benford, song sinh, những người đến với hai vai trò vừa là các nhà vật lý cũng như các nhà văn khoa học viễn tưởng. James nói với tôi rằng niềm đam mê của ông với các ngôi sao đã bắt đầu khi ông còn là một đứa trẻ, chỉ chực nuốt chửng tất cả khoa học mà ông ấy có thể có được, đặc biệt là loạt truyện Space Cadet của Robert Heinlein. Ông nhận ra rằng nếu ông và anh trai của mình nghiêm túc về không gian, cả hai sẽ phải học vật lý. Rất nhiều về nó. Vì vậy, hai ông đã lên kế hoạch đặt ra để có được học hàm – chuyên môn cấp tiến sĩ của họ trong lĩnh vực này. James hiện là chủ tịch của Khoa học Vi sóng và đã làm việc trong nhiều thập kỷ với hệ thống vi sóng công suất cao. Gregory là một giáo sư vật lý tại Đại học California, Irvine, và trong cuộc sống khác của ông đã giành được giải thưởng Tinh vân đầy thèm muốn cho một trong những tiểu thuyết của ông.
Trong sự trỗi dậy của hội nghị chuyên đề Starship 100 năm, James và Gregory đã viết một cuốn sách, "Starship Century: Hướng tới Grandest Horizon," chứa nhiều ý tưởng được trình bày ở đó. James, một chuyên gia về bức xạ vi sóng, tin rằng cánh buồm ánh sáng là cơ hội tốt nhất để du lịch của chúng ta vượt ra ngoài hệ mặt trời. Nhưng ông nói, có một lịch sử lâu dài về các thiết kế lý thuyết thay thế sẽ cực kỳ tốn kém nhưng dựa trên vật lý rắn, và có thể xảy ra trong thực tế một ngày nào đó.
TÊN LỬA HẠT NHÂN
Lịch sử này quay trở lại những năm 1950, một thời đại khi hầu hết mọi người sống trong khủng bố chiến tranh hạt nhân nhưng một vài nhà khoa học nguyên tử khi ấy lại đang tìm kiếm các ứng dụng hòa bình cho năng lượng hạt nhân. Họ xem xét tất cả các loại ý tưởng, chẳng hạn như triển khai vũ khí hạt nhân để khắc tạo ra các trạm chuyển và bến cảng.
Hầu hết các đề xuất này đều bị từ chối do những lo ngại về bụi phóng xạ và sự gãy vỡ gây ra từ vụ nổ hạt nhân. Tuy nhiên, một đề xuất hấp dẫn nữa lại bị kéo dài, có tên gọi là Dự án Orion, và nó đã tìm cách sử dụng bom hạt nhân làm nguồn năng lượng cho các phi thuyền không gian.
Xương sống của kế hoạch rất đơn giản: tạo ra bom nguyên tử mini và đẩy từng quả một từ đầu sau của một chiếc phi thuyền. Mỗi khi một quả bom hạt nhân nhỏ nổ, nó sẽ tạo ra một cú đẩy sốc của năng lượng có thể đưa phi thuyền đi về phía trước. Về nguyên tắc, nếu một loạt các quả bom hạt nhân nhỏ được phóng ra liên tiếp, tên lửa có thể tăng tốc tới gần tốc độ ánh sáng.
Ý tưởng này được phát triển bởi nhà vật lý hạt nhân Ted Taylor cùng với Freeman Dyson. Taylor nổi tiếng với việc thiết kế một loạt bom hạt nhân, từ fission bombs – quả bom phân hạch lớn nhất từng được kích nổ (với lực công phá lớp gấp khoảng 25 lần quả bom Hiroshima), rồi xuống chiếc lõi hạt nhân nhỏ là Davy Crockett (với lực công phá nhỏ hơn một ngàn lần so với quả bom Hiroshima). Nhưng ông đã mong muốn truyền tải kiến thức sâu rộng về các chất nổ hạt nhân tới các mục đích hòa bình. Ông ta đã nhảy vào một cơ hội để rồi làm tiên phong cho dự án phi thuyền Orion.
Thách thức chính là tìm ra cách kiểm soát cẩn thận chuỗi các vụ nổ nhỏ sao cho tàu vũ trụ có thể an toàn cưỡi sóng của vụ nổ hạt nhân mà không bị phá hủy trong quá trình này. Thiết kế khác nhau cho một thang các tốc độ đã được rút ra. Mô hình lớn nhất sẽ là một phần tư dặm đường kính, sẽ nặng 8 triệu tấn, và sẽ được đẩy lên bằng 1.080 quả bom. Trên giấy, nó có thể đạt vận tốc 10% tốc độ ánh sáng và đi tới Alpha Centauri trong bốn mươi năm. Mặc dù kích thước to lớn của con tàu này, các tính toán cho thấy nó có thể hoạt động.
Tuy nhiên, các nhà phê bình đã tập trung vào ý tưởng này, chỉ ra rằng các tàu vũ trụ xung hạt nhân sẽ giải phóng bụi phóng xạ. Taylor phản đối rằng bụi phóng xạ được tạo ra khi bụi bẩn và vỏ bom kim loại trở thành phóng xạ sau khi bom khởi hành, vì vậy nó có thể tránh được nếu tàu vũ trụ chỉ bắn động cơ của nó trong không gian bên ngoài. Nhưng "Hiệp ước Chống Thử nghiệm " năm 1963 cũng gây khó khăn cho việc thử nghiệm với bom nguyên tử thu nhỏ. Các tàu vũ trụ Orion cuối cùng cũng đóng lại như một sự tò mò xuống hạng với sách khoa học cũ.
HẠN CHẾ ĐỐI VỚI TÊN LỬA HẠT NHÂN
Một lý do khác khiến dự án bị đóng cửa là chính Ted Taylor đã mất hứng thú. Tôi đã từng hỏi anh tại sao anh lại rút sự ủng hộ của anh cho nỗ lực này, vì nó có vẻ như là một cách sử dụng tự nhiên cho tài năng của anh. Ông giải thích với tôi rằng để tạo ra Orion sẽ sản xuất ra một loại bom hạt nhân mới. Mặc dù ông đã dành phần lớn cuộc đời của mình để thiết kế bom phân hạch uranium, ông nhận ra rằng một ngày, tàu vũ trụ Orion có thể sử dụng những quả bom H mạnh mẽ và đặc biệt.
Những quả bom đó, thứ giải phóng lượng lớn nhất của năng lượng được biết đến với khoa học, đã trải qua ba giai đoạn phát triển. Những quả bom H đầu tiên của những năm 1950 là những thiết bị khổng lồ đòi hỏi các tàu lớn phải vận chuyển chúng. Đối với tất cả các mục đích thực tế, chúng sẽ vô dụng trong cuộc chiến hạt nhân. Bom hạt nhân thế hệ thứ hai là những chiếc MIRV nhỏ gọn, di động, hay còn gọi là các phương tiện tái thiết lập có thể nhắm vào những mục tiêu độc lập (multiple independently targetable reentry vehicles), tạo nên xương sống của các kho vũ khí hạt nhân của Mỹ và Nga. Bạn có thể đóng gói mười trong số chúng vào mũi hình nón của một tên lửa đạn đạo liên lục địa.
Bom hạt nhân thế hệ thứ ba, đôi khi được gọi là "bom hạt nhân đặt hàng theo thiết kế", chúng ở thời điểm đó, vẫn là một khái niệm. Chúng có thể dễ dàng che dấu và tùy chỉnh cho các chiến trường cụ thể - ví dụ, sa mạc, rừng, Bắc cực hoặc không gian bên ngoài. Taylor nói với tôi rằng ông ta đã trở nên vỡ mộng hay không thể ảo tưởng được nữa với dự án này và sợ rằng phần tử khủng bố có thể nắm giữ được bom hay công nghệ này. Nó sẽ là một cơn ác mộng không thể nói đối với ông nếu quả bom của ông rơi vào tay kẻ xấu và phá hủy một thành phố của Mỹ. Ông phản tỉnh một cách thẳng thắn về sự trớ trêu của ông với khuôn mặt khác. Ông đã đóng góp vào một lĩnh vực mà trong đó các nhà khoa học sẽ đính vào đó, mỗi trong số chúng thì đại diện cho một quả bom hạt nhân, cắm trên một bản đồ của Moscow. Nhưng khi đối mặt với khả năng vũ khí thế hệ thứ ba có thể đặt chính cái ghim ấy đính vào một thành phố của Mỹ, ông đột nhiên quyết định phản đối sự phát triển của vũ khí hạt nhân tiên tiến.
James Benford đã thông báo với tôi rằng mặc dù tên lửa xung hạt nhân của Taylor không bao giờ được thực nghiệm ra khỏi bên ngoài bảng vẽ, chính phủ lại thực sự đã sản xuất một loạt các tên lửa hạt nhân. Thay vì phát nổ những quả bom nguyên tử mini, những tên lửa này sử dụng phản ứng uranium kiểu cũ để tạo ra nhiệt cần thiết. (Phản ứng được sử dụng để làm nóng chất lỏng, chẳng hạn như hydro lỏng, đến nhiệt độ cao, và sau đó bắn nó ra một vòi phun ở phía sau, tạo lực đẩy.) Một số phiên bản được xây dựng và thử nghiệm trong sa mạc. Những phản ứng này có tính phóng xạ cao và luôn luôn có nguy cơ bị gặp sự cố trong giai đoạn khởi động, điều này sẽ là thảm họa. Dẫn đến một loạt các vấn đề kỹ thuật cũng như gia tăng tâm lý chống hạt nhân trong cộng đồng, những tên lửa hạt nhân này đã bị đóng phiến lại.
FUSION ROCKETS – TÊN LỬA NHIỆT HẠCH (PHẢN ỨNG NHIỆT HẠCH)
Đề án sử dụng bom hạt nhân để đẩy các phi thuyền chết ngỉm trong những năm 1960, nhưng những đôi cánh ấy đã có một khả năng khác. Vào năm 1978, Hội liên hành tinh Anh Quốc bắt đầu dự án Deadalus. Thay vì sử dụng bom phân hạch (fisson) uranium, Deadalus sẽ sử dụng bôm H mini, thứ mà bản thân Taylot đã xem xét nhưng không bao giờ phát triển. (Bom H mini của Daedalus thực sự là bom H thế hệ thứ hai nhưng kích thước nhỏ, không phải là quả bom thế hệ thứ ba thực sự mà Taylor đã rất sợ.)
Có một số cách để giải phóng sức mạnh của lò phản ứng nhiệt hạch trong hòa bình. Một quá trình, được gọi là giam cầm hay hạn chế từ tính, liên quan đến việc đặt khí hydro trong từ trường lớn hình dạng của một chiếc bánh rán và sau đó làm nóng nó lên đến hàng triệu độ. Hạt nhân hydro đập vào nhau và được hợp nhất thành hạt nhân helium, giải phóng các vụ nổ năng lượng hạt nhân. Phản ứng nhiệt hạch có thể được sử dụng để làm nóng một chất lỏng, sau đó được giải phóng qua một vòi phun, từ đó thúc đẩy tên lửa.
Lò phản ứng nhiệt hạch hàng đầu sử dụng sự giam cầm từ tính hiện nay được gọi là Lò phản ứng thí nghiệm nhiệt hạch quốc tế (ITER - International Thermonuclear Experimental Reactor), nằm ở miền nam nước Pháp. Nó là một cỗ máy khổng lồ, lớn gấp mười lần đối thủ cạnh tranh gần nhất của nó. Nó nặng 5.110 tấn, cao ba mươi bảy feet và đường kính sáu mươi bốn feet, và có giá hơn 14 tỷ USD cho đến nay. Dự kiến sẽ đạt được quá trình nhiệt hạch vào năm 2035 và cuối cùng sản xuất năm trăm MegaWatts năng lượng nhiệt (so với một nghìn MW điện trong một nhà máy điện hạt nhân uranium tiêu chuẩn). Người ta hy vọng rằng nó sẽ là lò phản ứng nhiệt hạch đầu tiên để tạo ra nhiều năng lượng hơn giá trị mà nó tiêu thụ. Mặc dù có một loạt sự chậm trễ và chi phí vượt hạn mức, các nhà vật lý tôi đã nói chuyện qua hiện đang đặt cược rằng lò phản ứng ITER sẽ làm nên lịch sử. Chúng ta sẽ có câu trả lời của chúng ta trước khi quá lâu. Nhà vật lý đoạt giải Nobel Pierre-Gilles de Gennes từng nói: "Chúng ta nói rằng chúng ta sẽ đặt mặt trời vào trong một cái hộp. Ý tưởng này khá là đẹp. Vấn đề là chúng ta không biết cách chế tạo chiếc hộp."
Một biến thể khác của tên lửa Daedalus có thể được nạp đầy năng lượng bởi sự nhiệt hạch laser, trong đó các chùm laser khổng lồ nén một viên vật liệu giàu hydro. Quá trình này được gọi là giam giữ quán tính (inertial confinement). Bộ phận gọi là The National Ignition Facility (NIF), đặt tại Phòng thí nghiệm Quốc gia Livermore ở California, minh họa cho quá trình này. Pin laze của nó - 192 chùm tia khổng lồ trong các ống dài 4,900 feet - là ống lớn nhất trên thế giới. Khi chùm tia laser tập trung vào một mẫu nhỏ của lithium deuteride giàu hydro, năng lượng của chúng thiêu đốt bề mặt của vật liệu, dẫn đến một vụ nổ nhỏ làm cho viên nén sụp đổ cấu trúc và tăng nhiệt độ lên một trăm triệu độ C. Điều này tạo ra phản ứng nhiệt hạch giải phóng năm trăm nghìn tỷ watt năng lượng trong vài phần nghìn tỷ giây.
Tôi thấy một minh chứng của NIF trong khi làm điều hướng viên cho loạt phim tài liệu Discovery Science Channel. Khách tham quan đầu tiên phải vượt qua một loạt các kiểm tra an ninh quốc gia, bởi vì kho vũ khí hạt nhân của Mỹ được thiết kế tại Phòng thí nghiệm Livermore. Cuối cùng khi tôi bước vào, nó lớn không thể hình dung được. Một tòa nhà căn hộ năm tầng có thể dễ dàng phù hợp trong phòng chính nơi các chùm tia laser hội tụ.
Một phiên bản của Project Deadalus khai thác một quá trình tương tự như laser fusion. Thay vì một chùm tia laser, nó sử dụng một dải lượng (bank) lớn các chùm electron để làm nóng viên vật liệu giàu hydro. Nếu 250 viên loại này được kích nổ mỗi giây, đủ năng lượng có thể hình dung được tạo ra cho một phi thuyền hòng đạt được một phần nhỏ tốc độ ánh sáng. Tuy nhiên, thiết kế này sẽ yêu cầu một tên lửa nhiệt hạch với kích thước thật sự to lớn. Một phiên bản của Daedalus sẽ cân nặng năm mươi bốn nghìn tấn và dài khoảng 625 feet, với tốc độ tối đa 12% tốc độ ánh sáng. Nó lớn đến nỗi nó phải được xây dựng ở không gian bên ngoài trái đất.
Tên lửa nhiệt hạch hạt nhân nghe như là khái niệm hóa, chưa kể năng lượng nhiệt hạch vẫn chưa được chứng minh trong thực tiễn. Hơn nữa, kích thước và độ phức tạp tuyệt đối của những tên lửa được dự đoán này gây ra nghi ngờ về tính khả thi của chúng, ít nhất là trong thế kỷ này. Tuy nhiên, cùng với cánh buồm ánh sáng, tên lửa nhiệt hạch lại cầm giữ những lời hứa hẹn nhiều nhất.
So sánh kích cỡ tương đối của phi thuyền sao nhiệt hành Daedalus với tên lửa Saturn V.
ANTIMATTER STARSHIPS – PHI THUYỀN PHẢN VẬT CHẤT
Công nghệ sóng thứ năm (bao gồm động cơ phản lực, cánh buồm ánh sáng, động cơ nhiệt hạch và nanoships) có thể mở ra những chân trời mới đầy phấn khởi cho thiết kế tàu vũ trụ. Động cơ phản vật chất, như trong Star Trek, có thể trở thành hiện thực. Chúng sẽ sử dụng nguồn năng lượng lớn nhất trong vũ trụ, đó là sự chuyển đổi trực tiếp của vật chất thành năng lượng thông qua những va chạm thuộc về vật chất và phản vật chất.
Phản vật chất ngược lại với vật chất, có nghĩa là nó có điện tích ngược lại. Một phản electron (anti.electron) thì có điện tích có điện tích dương, trong khi một phản proton thì có điện tích âm. (Tôi đã cố gắng điều tra phản vật chất ở trường trung học bằng cách đặt một viên nang sodium-22, thứ bắn ra các phản electron, trong một buồng điện mây và chụp những đường mòn đẹp để lại bởi phản vật chất. Sau đó tôi chế tạo một máy gia tốc hạt betaron công suất 2,3 triệu electron với hy vọng phân tích các đặc tính phản vật chất.)
Khi vật chất và phản vật chất va chạm, cả hai đều bị triệt tiêu thành năng lượng tinh khiết, do đó phản ứng giải phóng năng lượng với hiệu suất 100%. Ngược lại, vũ khí hạt nhân chỉ đạt hiệu quả 1%; phần lớn năng lượng bên trong bom hyđrô bị lãng phí.
Một tên lửa phản vật chất có thể sẽ đơn giản trong thiết kế. Phản vật chất sẽ được lưu trữ trong các phòng chứa an toàn và được đưa vào một buồng (nơi xảy ra phản ứng – thường hiểu là buồng đốt) trong những dòng ổn định. Nó sẽ kết hợp một cách bùng nổ với vật chất thông thường trong buồng đó và dẫn đến sự bắn ra gồm những tia gamma và tia X. Năng lượng sau đó sẽ được bắn qua lỗ mở trong buồng xả để tạo lực đẩy.
Như James Benford đã nói với tôi, tên lửa phản vật chất là một khái niệm yêu thích trong số những người hâm mộ khoa học viễn tưởng, nhưng có những vấn đề nghiêm trọng khi xây dựng chúng. Một là, phản vật chất thì xuất hiện trong tự nhiên, nhưng chỉ với số lượng tương đối nhỏ, vì vậy chúng ta sẽ phải sản xuất số lượng lớn của nó để sử dụng trong các động cơ. Nguyên tử phản hydro đầu tiên, với một phản electron quay xung một phản proton, được tạo ra vào năm 1995 tại Tổ chức nghiên cứu hạt nhân châu Âu (CERN) ở Geneva, Thụy Sĩ. Một chùm proton truyền thống mang điện tích dương được tạo ra và bắn xuyên qua một mục tiêu làm bằng vật chất thông thường. Vụ va chạm dẫn đến kết quả có vài hạt phản proton. Những từ trường khổng lồ tách các proton khỏi các phản proton bằng cách điều khiển chúng theo các hướng khác nhau - một điều hướng uốn cong về bên phải, cái kia về bên trái. Sau đó, các phản proton sau đó được làm cho chậm lại và được lưu trữ trong một cái bẫy từ trường, nơi chúng được kết hợp với các phản electron để tạo thành phản hydro. Vào năm 2016, các nhà vật lý tại CERN đã lấy phản hydro và phân tích các lớp vỏ phản electron quay quanh phản proton. Đúng như dự đoán, họ đã tìm thấy một sự tương ứng chính xác giữa các mức năng lượng giữa phản hydro và hydro thông thường.
Các nhà khoa học của CERN đã tuyên bố, "Nếu chúng ta có thể lắp ráp tất cả các phản vật chất mà chúng ta từng tạo ra tại CERN và triệt tiêu nó bằng vật chất, chúng ta sẽ có đủ năng lượng để thắp sáng một bóng đèn điện trong vài phút." Sẽ cần nhiều hơn nữa cho một tên lửa. Ngoài ra, phản vật chất là hình thức vật chất đắt nhất trên thế giới. Với mức giá hiện nay, một gram sẽ có giá khoảng 70 nghìn tỷ đô la. Hiện tại, nó chỉ có thể được tạo ra (với số lượng rất nhỏ) với các máy gia tốc hạt, rất tốn kém để xây dựng và vận hành. Large Hadron Collider (LHC) tại CERN là máy gia tốc hạt mạnh nhất trên thế giới và có chi phí hơn 10 tỷ đô la để thiết lập, nhưng nó chỉ có thể tạo ra một chùm phản vật chất rất mỏng. Nó sẽ làm phá sản nước Mỹ để tích lũy đủ phản vật chất hòng có thể đẩy được một phi thuyền.
Các máy quay đập nguyên tử khổng lồ ngày nay là các máy đa mục đích, được sử dụng hoàn toàn như các công cụ nghiên cứu và rất hiệu quả trong việc sản xuất lượng lớn phản vật chất. Một giải pháp nhiều phần, có thể là thiết lập các nhà máy được thiết kế đặc biệt để sản xuất được lượng lớn hơn phản vật chất. Trong trường hợp đó, Harold Gerrish của Nasa tin rằng chi phí của phản vật chất có thể giảm xuống còn 5 tỷ USD mỗi gram.
Việc lưu trữ phản vật chất lại trình ra một khó khăn và chi phí khác. Nếu bạn đặt chất phản vật chất vào một cái chai, sớm hay muộn, nó sẽ đập vào thành của chai và tiêu diệt bình chứa. Cần phải đặt bẫy để xung quanh nhốt nó đúng cách. Những bẫy này sẽ sử dụng từ trường để giữ nguyên tử của phản vật chất trong hệ thống treo và ngăn chúng tiếp xúc với bình chứa chúng.
Trong khoa học viễn tưởng, các vấn đề về chi phí và lưu trữ đôi khi bị loại bỏ bởi sự khám phá ra một thứ gì đó siêu thần thánh (Deus ex Machina) – như một tiểu hành tinh của phản vật chất thứ cho phép chúng ta khai thác phản vật chất với giá rẻ. Nhưng kịch bản giả thuyết này đặt ra một câu hỏi phức tạp: Thế vậy, mỏ phản vật chất đến từ đâu?
Mỗi nơi chúng ta nhìn vào không gian bên ngoài với các dụng cụ của chúng ta, chúng ta thấy vật chất, không thấy phản vật chất. Chúng ta biết điều này bởi vì sự va chạm của một electron với một phản electron giải phóng lượng năng lượng tối thiểu là 1,02 triệu electron volt. Đây là dấu vết của một vụ va chạm phản vật chất. Nhưng khi chúng ta khảo sát vũ trụ, chúng ta phát hiện rất ít loại bức xạ này. Hầu hết vũ trụ chúng ta thấy xung quanh chúng ta đều được tạo thành từ cùng một vật chất thông thường mà chúng ta được tạo ra từ chúng.
Các nhà vật lí tin rằng tại thời khắc liền ngay sau khi Vụ Nổ Lớn, vũ trụ đã tự ở trong đó, sự triệt hủy giữa hai (loại vật chất) có thể đã trở nên hoàn hảo và hoàn chỉnh, và vũ trụ có thể phải được tạo thành từ bức xạ thuần khiết. Tuy nhiên, chúng ta ở đây, được làm bằng vật chất, thứ mà có thể không nên ở xung quanh thêm nữa. Sự tồn tại của chúng ta thách thức những quy luật của vật lý hiện đại.
Chúng ta vẫn chưa tìm ra lý do tại sao có nhiều vấn đề hơn phản vật chất trong vũ trụ. Chỉ có một phần mười tỷ của [vật chất nguyên bản ban đầu – the original matter] trong vũ trụ ban sơ đã sống sót sau vụ nổ này, và chúng ta là một phần của nó. Lý thuyết tốt nhất hiện nay nói rằng: có một cái gì đó đã vi phạm sự đối xứng hoàn hảo giữa vật chất và phản vật chất tại Big Bang, nhưng chúng ta không biết nó là gì. Có một giải thưởng Nobel đang chờ đợi một cá nhân có thể giải quyết vấn đề này.
Động cơ phản vật chất chỉ nằm trong danh sách ngắn các ưu tiên cho bất kỳ ai muốn xây dựng một phi thuyền không gian. Nhưng các đặc tính của phản vật chất vẫn gần như hoàn toàn chưa được khám phá. Nó không cho biết gì cả, ví dụ, cho dù nó vận động hướng lên hay xuống, giống như vật chất bình thường. Nếu vậy, phản hấp dẫn [antigravity] sẽ có thể không khả dĩ. Tuy nhiên, điều này cùng với rất nhiều thứ khác, chưa bao giờ được thử nghiệm. Dựa trên chi phí và sự hiểu biết hạn chế của chúng ta, tên lửa phản vật chất sẽ vẫn là một giấc mơ cho thế kỷ tiếp theo, trừ khi chúng ta thấy xuất hiện một tiểu hành phản vật chất trôi trong vũ trụ.
RAMJET FUSION STARSHIPS – PHI THUYỀN PHẢN LỰC NHIỆT HẠCH
Tên lửa hoạt động bằng lực đẩy từ phản ứng nhiệt hạch là một khái niệm hấp dẫn khác. Nó trông giống như một cây kem hình nón khổng lồ và sẽ hấp thụ khí hydro trong không gian giữa các vì sao, sau đó tập trung nó vào một lò phản ứng nhiệt hạch để tạo ra năng lượng. Giống như một máy bay phản lực hoặc một tên lửa hành trình, tên lửa phản lực sẽ rất kinh tế. Bởi vì máy bay phản lực nuốt lấy không khí có sẵn, chúng không phải mang theo oxy hóa của riêng chúng, điều này làm giảm chi phí. Vì có một lượng khí hydro không giới hạn trong không gian làm nhiên liệu khả dĩ, tàu vũ trụ sẽ có thể tăng tốc mãi mãi. Cũng giống như nguyên lý hoạt động của buồm mặt trời, xung động đặc trưng của động cơ là vô hạn.
Cuốn tiểu thuyết nổi tiếng "Tau Zero" của Poul Anderson có nói về một tên lửa phản lực nhiệt hạch, bị trục trặc và không thể ngừng hoạt động. Khi nó tăng tốc tới tốc độ ánh sáng, các biến dạng tương đối kỳ lạ bắt đầu xảy ra. Thời gian chậm dần lại trong tên lửa, nhưng vũ trụ xung quanh nó thì vẫn già hơn đi hay có tuổi như thường lệ. Tốc độ càng nhanh thì thời gian càng chậm lại. Tuy nhiên, với những người trên tàu vũ trụ kia, mọi thứ dường như hoàn toàn bình thường bên trong, trong khi vũ trụ ở bên ngoài rất nhanh. Cuối cùng, các tàu vũ trụ đi quá nhanh đến nỗi mà bên ngoài thì đã trải qua hàng triệu trong khi các thành viên phi hành đoàn chỉ nhìn ra cách bất lực. Sau khi du hành hàng tỷ năm tới tương lai, phi hành đoàn nhận ra rằng vũ trụ không còn mở rộng nữa nhưng thực sự khi ấy lại đang co lại. Sự mở rộng của vũ trụ cuối cùng cũng đảo ngược. Nhiệt độ tăng vọt khi các thiên hà đến với nhau về phía cuối điểm Big Crunch. Vào thời điểm cuối của câu chuyện, cũng giống như tất cả các ngôi sao đang sụp đổ, con tàu tên lửa quản lý để lướt lên phía trước của quả cầu lửa vũ trụ và chứng kiến một Big Bang khi một vũ trụ mới được sinh ra. Tuyệt vời như câu chuyện này có thể là, nền tảng của nó lại rất tương thích với thuyết tương đối của Einstein.
Để câu chuyện khải huyền sang một bên, động cơ phản lực nhiệt hạchlúc đầu có vẻ quá tốt để được cho sự thật hoặc có thể hiện thực. Nhưng trong những năm qua, một số chỉ trích về tính khả thi đã đã cân bằng được điều này. Phần chính động cơ có thể có phải trải dài hàng trăm dặm, đó sẽ là câu chuyện vừa tốt kém vừa không thực tiễn. Tỷ lệ nhiệt hạch có thể không tạo ra đủ năng lượng để duy trì một con tàu. Tiến sĩ James Benson cũng chỉ ra rằng khu vực của chúng ta ở hệ mặt trời này không chứa đủ hyđrô để nuôi động cơ, mặc dù có lẽ các khu vực khác của thiên hà có thể. Những người khác cho rằng việc kéo theo động cơ phản lực khi nó di chuyển trong gió mặt trời sẽ vượt quá lực đẩy của nó, vì vậy nó không bao giờ có thể đạt được các vận tốc tương đối. Các nhà vật lý vẫn đang cố gắng sửa đổi thiết kế (thiết kế lý thuyết) để khắc phục những nhược điểm này, nhưng chúng ta có một chặng đường dài để đi trước khi các tên lửa phản lực này trở thành một lựa chọn khả thi trong thực tế.
CÁC VẤN ĐỀ VỚI PHI THUYỀN
Cần nhấn mạnh rằng tất cả các tàu vũ trụ được đề cập cho đến nay phải đối mặt với các vấn đề khác liên quan đến đi du hành gần tốc độ ánh sáng. Những va chạm với tiểu hành tinh sẽ đề ra một nguy cơ lớn, và thậm chí các tiểu hành tinh nhỏ bé cũng có thể xuyên qua thân tàu. Như chúng ta đã đề cập trước đây, tàu con thoi đã chịu những vết khắc và thẹo nhỏ từ mảnh vụn vũ trụ, thứ mà có lẽ và trúng tàu vũ trụ gần vận tốc vệ tinh địa tĩnh, hay khoảng một vạn tám ngàn dặm một giờ. Tuy nhiên, với tốc độ gần vật tốc ánh sáng, các tác động sẽ tạo gấp nhiều lần ở tốc độ đó, có khả năng nghiền nát tàu vũ trụ.
Trong các bộ phim, mối nguy hiểm này được loại bỏ bởi các trường lực mạnh mẽ đẩy lùi tất cả những mảnh đá không gian này một cách đầy thuận tiện - nhưng những thứ đó thì không may lại chỉ tồn tại trong tâm trí của các nhà văn khoa học viễn tưởng. Trong thực tế, các trường lực điện và từ thì thực sự có thể được tạo ra, nhưng trường lực này lại đầu hàng trước những đối tượng không tích điện, chẳng hạn như nhựa, gỗ và thạch cao, vì đơn giản là trường lực này có thể dễ dàng đi xuyên qua các vật thể ấy. Trong không gian bên ngoài, các mảnh đá thì cực nhỏ, và bởi vì chúng không bị tích điện, nên không thể bị làm lệch đi bởi các trường điện từ. Và các trường hấp dẫn thì tác động hấp dẫn với lực cực kỳ yếu, vì vậy chúng sẽ không phù hợp với các trường lực đẩy mà chúng ta sẽ cần.
Phanh là một thách thức khác. Nếu bạn đang lướt đi trong không gian gần với tốc độ ánh sáng, bạn sẽ giảm tốc độ như thế nào khi đến đích? Các buồm mặt trời và buồm laser phụ thuộc vào năng lượng của mặt trời hay các dải lượng laser, vốn không thể được sử dụng để giảm tốc độ phi thuyền. Vì vậy, chúng có thể hữu ích chủ yếu trong các nhiệm vụ bay.
Có lẽ cách tốt nhất để phanh tên lửa hạt nhân là xoay chúng trở lại 180 độ để lực đẩy chuyển theo hướng ngược lại. Tuy nhiên, chiến lược này sẽ tiêu thụ khoảng một nửa lực đẩy của nhiệm vụ để đạt được vận tốc mục tiêu và nửa còn lại để làm chậm tên lửa xuống. Đối với cánh buồm mặt trời, có lẽ cánh buồm có thể đảo ngược và thế là ánh sáng từ ngôi sao tại điểm đến có thể được sử dụng để làm chậm tàu vũ trụ.
Một vấn đề nữa là hầu hết các tàu sân bay có khả năng chở phi hành gia này sẽ rất đắt và chỉ có thể được lắp ráp bên ngoài không gian. Nhóm chuyên gia lẫn vật liệu để thực hiện cho nhiệm vụ không gian sẽ được yêu cầu để gửi tài nguyên xây dựng vào quỹ đạo, và thậm chí còn nhiều hơn cho việc lắp ráp các mảnh bộ phận lại với nhau. Để tránh các chi phí không thể vượt qua, một phương pháp kinh tế hơn của các nhiệm vụ phóng vào không gian phải được đưa ra. Đó chính là nơi mà [thang máy không gian] có thể đưa vào.
THANG MÁY VÀO KHÔNG GIAN
Thang máy không gian sẽ là một ứng dụng thay đổi cuộc chơi của công nghệ nano. Một thang máy không gian là một trục dài trải dài từ trái đất vào không gian bên ngoài. Bạn sẽ vào thang máy, nhấn nút lên và sau đó nhanh chóng được nâng lên quỹ đạo. Bạn sẽ không bị g-force nghiền nát khi một tên lửa tăng cường phát nổ để rời đi khỏi bệ phóng của nó. Thay vào đó, việc di chuyển của bạn vào không gian sẽ nhẹ như đi thang máy lên trên tầng trên cùng của một cửa hàng bách hóa. Giống như cây đậu thần của Jack trong cổ tích, thang máy không gian dường như sẽ thách thức lực hấp dẫn và cung cấp một cách dễ dàng để đi lên các tầng trời.
Khả năng cho của một thang máy không gian lần đầu tiên được khám phá bởi nhà vật lý người Nga Konstantin Tsiolkovsky, người bị hấp dẫn bởi việc xây dựng tháp Eiffel vào những năm 1880. Nếu các kỹ sư có thể xây dựng một cấu trúc tráng lệ như vậy, ông tự hỏi, tại sao không tiếp tục và mở rộng ra không gian bên ngoài? Sử dụng các định luật vật lý đơn giản, ông có thể chứng minh rằng, về nguyên tắc, nếu tháp đủ dài, lực ly tâm sẽ đủ để giữ cho nó thẳng đứng, không có thêm tác lực nào bên ngoài nữa. Cũng giống như một sợi dây cột vào quả bóng đang xoay khiến nó không rơi xuống sàn (quay theo), một thang máy không gian sẽ được giữ từ bị sụp đổ bởi lực ly tâm của Trái đất quay.
Ý tưởng cho rằng có lẽ tên lửa không phải là cách duy nhất để đi vào vũ trụ, đã là thứ rất căn bản và phấn khích. Nhưng cũng đã có một rào cản gần như ngay lập tức. Sự căng trên cáp thang máy không gian có thể đạt đến lực căng cỡ một trăm gigapascals, vượt quá điểm đứt gãy của thép, thứ chỉ chịu được hai gigapascals. Cáp thép sẽ bị đứt gãy, và thang máy không gian sẽ đổ nhào xuống.
Ý tưởng về thang máy không gian đã bị bỏ rơi trong ngăn kéo gần một trăm năm. Đôi khi chúng được đề cập bởi các tác giả khoa học viễn tưởng như Arthut C. Clarke, người đã giới thiệu chúng trong một cuốn tiểu thuyết có tên là "The Fountains of Paradise – Dòng suối ở Địa Đàng". Tuy nhiên, khi được hỏi có thể có thang máy không gian chứ, ông ta trả lời, "Điều đó thì có lẽ sẽ đến trong khoảng năm mươi năm sau khi mọi người ngừng cười nhạo điều này."
Nhưng hôm nay thì không ai cười nữa. Đột nhiên, thang máy không gian dường như không còn quá xa vời nữa. Năm 1999, một nghiên cứu Nasa sơ bộ đánh giá rằng một thang máy bằng cáp rộng ba feet và dài ba mươi nghìn dặm có thể vận chuyển mười lăm tấn trọng tải. Vào năm 2013, Học Viện Hàng Không Vũ Trụ Quốc Tế đã phát hành một báo cáo 350 trang với kế hoạch dự tính rằng với đủ kinh phí và nghiên cứu, một thang máy không gian có khả năng mang theo tải trọng cỡ 20 tấn, có thể khả thi vào năm 2035. Ước tính chi phí dao động từ 10 tỷ đến 50 tỷ đô la – chỉ là một phần nhỏ cho con số 150 tỷ đô la đã chi cho Trạm Vũ Trụ Quốc Tế. Và khi ấy, thang máy không gian có thể làm giảm chi phí đưa trọng tải vào vũ trụ theo hệ số hai mươi.
Vấn đề không còn là một trong những định luật vật lý cơ bản nữa mà là vấn đề kỹ thuật sản xuất – thiết kế. Các tính toán nghiêm túc hiện đang được thực hiện để xác định xem các cáp thang máy không gian có thể được làm bằng các ống nano cacbon nguyên chất hay không, vật liệu này rất cứng đến nỗi chúng có thể sẽ vỡ. Nhưng chúng ta có thể làm đủ các ống nano để căng ngàn dặm vào không gian? Hiện tại, câu trả lời là không. Ống nano cacbon nguyên chất cực kỳ khó sản xuất vượt quá một centimét hoặc hơn. Bạn có thể nghe những phát ngôn kiểu như là những ống nano dài nhiều feet đã được xây dựng, nhưng những vật liệu đó thực sự là vật liệu tổng hợp. Chúng bao gồm các sợi nhỏ các ống nano cacbon nguyên chất được nén thành dải dạng thớ vải và mất đi các đặc tính kỳ diệu của các ống nano tinh khiết.
Để kích thích sự quan tâm đến các dự án như thang máy không gian, Nasa tài trợ chương trình Centennial Challenges (Những Thách Thức Trăm Năm), treo giải thưởng dành cho những người nghiệp dư hay bất cứ ai có thể phát minh ra công nghệ tiên tiến cho chương trình không gian. Nó đã từng tổ chức một cuộc thi kêu gọi các thí sinh thuộc cá nhân lẫn tổ chức nộp bài dự thi bằng các cấu phần cho một nguyên mẫu thang máy mini. Tôi đã tham gia một chương trình truyền hình đặc biệt mà tôi tổ chức, dõi theo một nhóm kỹ sư trẻ, những người đã tin rằng thang máy không gian sẽ mở ra bầu trời cho người bình thường. Tôi đã chứng kiến khi họ sử dụng chùm tia laser để gửi một viên nang nhỏ lên một sợi cáp dài. Chương trình TV đặc biệt của chúng tôi đã cố gắng để nắm bắt sự nhiệt tình của tầng lớp mới này của các kỹ sư với tinh thần khám phá mới (entrepreneurial engineers), hăm hở nhiệt tâm để xây dựng tương lai.
Thang máy không gian sẽ cách mạng hóa sự tiếp cận của chúng ta với không gian bên ngoài, thay vì duy trì lãnh thổ độc quyền của phi hành gia và phi công quân sự, thì có thể trở thành sân chơi cho trẻ em và gia đình. Họ sẽ cung cấp một cách tiếp cận mới hiệu quả cho du lịch và công nghiệp không gian và làm cho việc lắp ráp máy móc phức tạp ngoài trái đất, bao gồm cả các phi thuyền thứ có thể di chuyển nhanh gần với tốc độ ánh sáng.
Nhưng thực tế, với những vấn đề kỹ thuật khổng lồ chúng ta phải đối mặt, một thang máy không gian có thể không thể thực hiện được cho đến cuối thế kỷ này.
Tất nhiên, xem xét sự bồn chồn và tham vọng không ngừng nghỉ của chúng ta như một giống loài, chúng ta cuối cùng sẽ vượt qua giới hạn bởi các tên lửa phản lực và tên lửa phản vật chất, để rồi có thể sẽ đối mặt với thử thách lớn nhất cho tất cả các loại thử thách. Có khả năng một ngày nào đó chúng ta có thể phá vỡ giới hạn tốc độ tối thượng trong vũ trụ: tốc độ ánh sáng.
TƯƠNG LAI NHÂN LOẠI - MICHIO KAKU
Bản dịch của ĐỖ BÁ HUY
Phần tiếp theo >>
