Trạm vũ trụ bơm hơi: Chìa khóa giúp con người sống lâu ngoài Trái Đất
27/05/26
 |
| James Webb, giám đốc NASA đứng dưới trạm vũ trụ Goodyear. |
Nếu nhân loại muốn sống trong không gian, chỉ tên lửa mạnh hơn là chưa đủ. Cơ thể người cần trọng lực; không trọng lực, cơ bắp teo lại, xương yếu đi, mắt tổn thương, máu thay đổi và phi hành gia phải tập luyện nhiều giờ mỗi ngày để chống lại tác hại của trạng thái không trọng lượng. Từ thập niên 1960, NASA từng thiết kế trạm vũ trụ quay tạo trọng lực nhân tạo, nhưng chương trình Apollo đẩy hướng đi này sang một bên. Nay, với vật liệu mới, trạm bơm hơi và tên lửa Starship, giấc mơ có thể trở lại.
Vấn đề lớn nhất của đời sống không gian
Sống ngoài Trái Đất không chỉ là chuyện đưa người lên quỹ đạo; thách thức thật sự là giữ cho họ khỏe mạnh đủ lâu.
Trong môi trường không trọng lực, cơ thể người nhanh chóng suy giảm: cơ bắp teo, xương mất khoáng, mắt gặp vấn đề, máu thay đổi và nguy cơ hình thành cục máu đông tăng lên. Nhiều phi hành gia bị say không gian. Ở động vật, môi trường trọng lực rất thấp hoặc bằng không còn gây loãng xương, tổn thương mắt, thận và rối loạn sinh sản.
Vì vậy, nếu muốn có khu định cư quỹ đạo, căn cứ phục vụ chuyến bay sâu vào không gian hay hành trình đến sao Hỏa, nhân loại cần một thứ đã được nghĩ đến từ rất sớm: trọng lực nhân tạo.
Bánh xe von Braun
Ý tưởng nổi tiếng nhất là trạm vũ trụ hình bánh xe quay, thường gắn với Wernher von Braun. Tại mô hình này, con người sống ở vành ngoài của bánh xe. Khi trạm quay, lực ly tâm tạo cảm giác như có trọng lực kéo người xuống sàn.
Von Braun tin các trạm quay như vậy gần như “tất yếu” nếu con người muốn ở lâu ngoài không gian. Thiết kế có đường kính khoảng 75 m, đủ lớn để quay chậm, song vẫn tạo được trọng lực Mặt Trăng hoặc gần giống Trái Đất.
Vấn đề là kích thước; trạm quay nhỏ sẽ phải quay nhanh, dễ làm phi hành gia chóng mặt và mất phương hướng. Muốn quay chậm, trạm phải rất lớn. Tuy nhiên, tên lửa phải thon dài để thoát khỏi lực hút Trái Đất. Ngay cả Starship của SpaceX, tên lửa lớn nhất từng được phóng, cũng không thể nhét nguyên cấu trúc bánh xe khổng lồ vào khoang hàng.
Giới hạn của “Ikea ngoài không gian”
Trạm Vũ trụ Quốc tế ISS giải quyết bài toán bằng cách phóng từng module lên quỹ đạo, rồi lắp ráp dần. Cách làm này hiệu quả, nhưng cực kỳ tốn thời gian và giới hạn tham vọng. ISS cần hơn 40 lần phóng trong nhiều năm, chưa kể các chuyến tiếp tế và sửa chữa; thường chỉ hỗ trợ khoảng 7 người dù là cấu trúc không gian lớn nhất từng được xây.
Nếu muốn trạm cho hàng chục, hàng trăm hay hàng nghìn người, cách lắp ráp từng “lon thiếc” nhỏ trong quỹ đạo sẽ rất khó mở rộng. Những ý tưởng như Stanford Torus hay O’Neill cylinder – khu định cư chứa hàng chục nghìn đến hàng triệu người – vì vậy vẫn giống khoa học viễn tưởng hơn là kế hoạch kỹ thuật ngắn hạn. Cần đưa lên quỹ đạo cấu trúc nhỏ gọn khi phóng, nhưng có thể mở rộng mạnh sau khi vào không gian.
NASA từng đi rất gần
Từ năm 1959 – 1962, NASA Langley từng nghiên cứu các cấu trúc “unitized” – tức giảm tối đa việc lắp ráp trên quỹ đạo. Ý tưởng bơm phồng các ống cao su kiểu lốp Goodyear thành trạm hình bánh xe. Cách này rất hấp dẫn vì có thể gấp gọn khi phóng rồi phồng lên trong không gian. Tuy nhiên, vật liệu mềm như cao su và nylon khi ấy bị xem là quá dễ bị vi thiên thạch đâm thủng.
Ý tưởng khác, do North American Aviation đề xuất, là trạm hình lục giác gồm các ống cứng nối bản lề. Cấu trúc này có thể gập lại trong tên lửa, rồi tự bung ra trên quỹ đạo: cứng, an toàn trước va chạm, vì vậy trở thành phương án hứa hẹn hơn. Tuy nhiên, Apollo thay đổi mọi thứ.
Apollo và ngã rẽ bị bỏ lỡ
Năm 1961, Tổng thống John F. Kennedy đặt mục tiêu đưa người lên Mặt Trăng. Từ đây, ngân sách, kỹ sư và sự chú ý của NASA tập trung vào Apollo. Các dự án trạm quay tạo trọng lực nhân tạo bị thu nhỏ hoặc gạt sang bên.
Dù sau này NASA vẫn có chương trình Apollo Applications, tham vọng đã giảm nhiều. Năm 1973, Skylab, trạm vũ trụ đầu tiên của Mỹ, được phóng bằng tên lửa Saturn V cuối cùng. Song Skylab chỉ là trạm 3 người, dùng cho các đợt ở ngắn, không có trọng lực nhân tạo và không giống những bánh xe khổng lồ từng được hình dung.
Sau Apollo, NASA chuyển sang cách phát triển tuần tự, tập trung vào tàu con thoi, các trạm nhỏ. Giấc mơ trạm quay lớn dần trở thành di vật của thời lạc quan.
Vì sao trạm bơm hơi có thể trở lại?
Điểm nghẽn là vật liệu; nhưng 50 năm qua, vật liệu sợi bền cao đã tiến bộ rất xa.
Năm 2016, module bơm hơi Bigelow Expandable Activity Module được gắn lên ISS. Module dựa trên công nghệ TransHab của NASA từ thập niên 1990, sử dụng các lớp vải linh hoạt nhưng rất bền, trong đó có Vectran; được chứng minh có khả năng chống vi thiên thạch và mảnh vỡ quỹ đạo tốt, thậm chí có thể hơn các module kim loại của ISS.
Vì vậy, ý tưởng “nhét một chiếc lốp không gian vào tên lửa” không còn viển vông như năm 1960 mà giống việc mang chiếc lều gấp trong ba lô, thay vì cố nhét một căn nhà lắp sẵn vào túi.
Starship mở lại cánh cửa lớn
Sự xuất hiện của Starship khiến bài toán trở nên khác hẳn. Trạm bánh xe đường kính 75 m theo tinh thần von Braun có thể cần khoảng 8 tấn không khí nén để bơm phồng và duy trì áp suất giống Trái Đất. Điều này để lại phần lớn tải trọng hữu ích của Starship cho vỏ trạm và hệ thống kỹ thuật.
Ước tính tùy điều kiện quỹ đạo và mức bảo vệ va chạm, vỏ trạm bơm hơi hình bánh xe thể tích hơn 6.000 m³ có thể nặng vài chục tấn trong môi trường ít mảnh vỡ, hoặc hơn 100 tấn nếu cần lớp chắn dày như ở quỹ đạo thấp. Dù còn nhiều câu hỏi kỹ thuật, điều quan trọng là: lần đầu tiên sau Saturn V, nhân loại có một phương tiện phóng đủ lớn để biến ý tưởng thành khả năng thực tế.
Không chỉ để ở, mà còn để sản xuất
Các công ty thương mại đang quan tâm trở lại. Vast đang phát triển các trạm Haven không trọng lực nhỏ hơn và đặt mục tiêu tới năm 2035 có trạm trọng lực nhân tạo cho khoảng 40 người. Một số công ty khác nhìn trạm quỹ đạo như nền tảng cho sản xuất ngoài không gian.
Trong vi trọng lực, tinh thể có thể phát triển đồng đều hơn, vật liệu bán dẫn và dược phẩm có thể đạt chất lượng mà Trái Đất khó tạo ra. Ban đầu, các nhà máy không người lái có thể không cần trọng lực nhân tạo. Tuy nhiên, quá trình xây những thể tích lớn trong không gian sẽ là bước đệm cho các trạm có người ở lâu dài.
Giấc mơ vẫn ở năm 1962
Trạm vũ trụ bơm hơi không giải quyết mọi vấn đề. Cần chứng minh vật liệu chịu được áp suất trên cấu trúc rất lớn, chịu được quay lâu dài, va chạm, bức xạ và lão hóa. Cũng cần quy định bớt cản trở hợp tác quốc tế, thêm mô hình nghiên cứu tập trung và nhiều người chơi hơn ngoài SpaceX.
Tuy nhiên, ý tưởng muốn trở thành nền văn minh không gian, con người cần nơi sống trong không gian, không chỉ những phòng thí nghiệm nhỏ tạm trú.
Von Braun wheel vẫn như bị kẹt lại ở năm 1962. Song với Starship, vật liệu bơm hơi và nhu cầu thương mại mới có thể quay trở lại sớm hơn nhiều người nghĩ. Nếu một ngày con người bước đi trên sàn của trạm quay quanh Trái Đất, đây không chỉ là chiến thắng kỹ thuật; mà là khoảnh khắc không gian bắt đầu giống nơi để sống, chứ không chỉ là nơi để ghé thăm.
shared via wip,
