Ý tưởng xuẩn ngốc về việc bắn phá Mặt Trăng là một ví dụ cho thấy ý tưởng điên rồ sẽ đưa các nhà khoa học đi xa tới đâu…

Ý tưởng đó về cơ bản là bất khả thi.

— GIÁO SƯ A. W BICKERTON, 1926

Nhóm người tinh hoa nhiều khả năng sẽ không bao giờ biến mất

— họ sẽ di cư từ mặt trời này đến mặt trời khác.

Và sẽ không có cái kết nào cho sự sống, trí thông minh và sự hoàn mỹ của nhân loại. Quá trình đó là trường tồn.

— KONSTANTIN E. TSIOLKOVSKY, CHA ĐẺ CỦA TÊN LỬA HỌC

Ngày nào đó trong tương lai xa xôi, chúng ta sẽ trải qua những ngày tươi đẹp cuối cùng trên Trái Đất. Vài tỷ năm nữa, bầu trời sẽ rực cháy. Mặt Trời phồng to thành một quả cầu lửa dữ dội tràn ra khắp bầu trời, che khuất mọi vì tinh tú. Khi nhiệt độ trên Trái Đất tăng vọt, các đại dương bắt đầu sôi lên và bốc hơi, phơi ra đáy biển nứt nẻ bị cháy xém. Cuối cùng, các ngọn núi sẽ nóng chảy rồi hóa lỏng, tạo ra dung nham tràn xuống đồng bằng, nơi các thành phố sầm uất từng ngự trị.

Theo các định luật vật lý, kịch bản tàn nhẫn này là không thể tránh khỏi. Trái Đất cuối cùng sẽ tiêu tan trong cơn lửa dữ khi Mặt Trời nuốt trọn nó. Đây là một định luật vật lý.

Tai họa này sẽ ập đến trong khoảng năm tỷ năm nữa. Khi xét trên một thang thời gian vũ trụ như vậy, sự hưng vong của các nền văn minh nhân loại chỉ như những gợn sóng lăn tăn. Một ngày nào đó, chúng ta sẽ phải rời Trái Đất hoặc chờ đợi sự diệt vong. Vậy thì nhân loại, những hậu duệ của chúng ta, sẽ phải đối phó ra sao khi điều kiện trên Trái Đất trở nên khắc nghiệt đến vậy?

Nhà toán học và triết gia Bertrand Russell từng xót xa: “Không có ngọn lửa dẫn đường hay chủ nghĩa anh hùng nào, kể cả ý chí và cảm xúc mãnh liệt đến đâu, có thể cứu rỗi sự sống khỏi diệt vong; công sức của biết bao thế hệ dày công vun đắp, mọi nguồn cảm hứng hay cả những thiên tài xuất chúng rồi sẽ đến lúc tàn lụi trong cơn hấp hối của Hệ Mặt Trời; toàn bộ những đền đài ghi nhận thành tựu của nhân loại sẽ bị chôn vùi dưới đống đổ nát của một vũ trụ hoang tàn…”

Đối với tôi, đây là một trong những đoạn văn trăn trở nhất từng xuất hiện trong tiếng Anh. Nhưng Russell viết những dòng này ở thời đại mà tàu tên lửa vẫn bị coi là bất khả thi. Ngày nay, viễn cảnh rời khỏi Trái Đất vào một ngày nào đó không còn quá xa vời. Carl Sagan từng nói chúng ta sẽ trở thành một “chủng loài hai hành tinh”. Theo ông, sự sống trên Trái Đất quá quý giá nên chúng ta sẽ phải mở rộng nó ra ít nhất một hành tinh khác phòng trường hợp thảm họa ập đến. Trái Đất bị kẹt giữa một rừng các “cuộc bắn phá vũ trụ” của các thiên thể, sao chổi và những mảnh thiên thạch trôi nổi gần quỹ đạo, mà một vụ va chạm với bất cứ thứ gì trong số chúng cũng đều có thể dẫn đến sự kết thúc của chúng ta.

Thi hào Robert Frost đã đặt ra nghi vấn liệu Trái Đất sẽ kết thúc trong bão lửa hay băng giá. Dựa trên các định luật vật lý, chúng ta có cơ sở để tiên đoán kết cục của thế giới khi một thảm họa thiên nhiên xảy ra.

Trên thang thời gian tính bằng thiên niên kỷ, một hiểm họa đối với nền văn minh nhân loại là sự bắt đầu của một thời kỳ băng hà mới. Kỳ băng hà gần nhất đã kết thúc 10.000 năm trước. Khi thời kỳ lạnh giá kế tiếp xuất hiện trong khoảng 10.000 đến 20.000 năm tới, hầu như toàn bộ Bắc Mỹ sẽ bị lớp băng dày hàng kilômét bao phủ. Nền văn minh nhân loại trở nên thịnh vượng trong kỳ gian băng ngắn ngủi gần đây, khi Trái Đất ấm lên bất thường, nhưng một chu trình như vậy sẽ không thể kéo dài mãi.

Qua hành trình hàng triệu năm, các thiên thể lớn hay sao chổi va phải Trái Đất có thể gây ra một chấn động thảm khốc. Vụ va chạm với thiên thể cỡ lớn xảy ra gần nhất vào 65 triệu năm trước, khi một vật thể có đường kính khoảng 10 km đâm sầm xuống khu vực bán đảo Yucatán của Mexico, tạo nên một hố rộng khoảng 300 km, đẩy loài khủng long đang thống trị Trái Đất thời điểm đó vào tuyệt chủng. Một vụ va chạm thiên thạch khác cũng có thể đến trong khoảng thời gian tương tự.

Vài tỷ năm tới, Mặt Trời sẽ dần phình lên và thiêu đốt Trái Đất. Thực tế, chúng ta ước lượng được rằng Mặt Trời sẽ nóng lên khoảng 10% trong một tỷ năm tới, khiến Trái Đất dần khô cằn. Mặt Trời sẽ nuốt trọn Trái Đất trong năm tỷ năm nữa, khi nó chuyển thành một ngôi sao đỏ khổng lồ. Khi ấy Trái Đất sẽ nằm trong bầu khí quyển của Mặt Trời.

Trong vòng vài chục tỷ năm tới, cả Mặt Trời và Dải Ngân Hà sẽ chết. Khi Mặt Trời tiêu thụ hết nhiên liệu hiđrôheli của mình, nó sẽ co lại thành một sao lùn trắng nhỏ và lạnh dần cho đến khi trở thành khối chất thải hạt nhân tối tăm trôi nổi trong không gian. Dải Ngân Hà rồi sẽ va chạm với thiên hà Andromeda kế cận, lớn hơn thiên hà của chúng ta nhiều lần. Những cánh tay xoáy ốc của Dải Ngân Hà sẽ văng tứ tung và Mặt Trời của chúng ta sẽ bị liệng vào không gian sâu thẳm. Các hố đen tại tâm của hai thiên hà sẽ xướng lên một vũ điệu chết chóc trước khi ập vào nhau và kết hợp làm một.

Giả sử đến một ngày, nhân loại phải rời khỏi Hệ Mặt Trời để tới các ngôi sao lân cận mới mong sống sót thì câu hỏi đặt ra là: chúng ta đến đó bằng cách nào? Hệ sao gần nhất, Alpha Centauri, cách chúng ta khoảng bốn năm ánh sáng. Tên lửa đẩy sử dụng nhiên liệu hóa học thông thường — phương tiện chuyên chở của các chương trình không gian hiện nay, chỉ mới đạt tốc độ gần 64.000 kmgiờ. Với tốc độ đó, chúng ta phải cần tới 70.000 năm mới đến được ngôi sao gần nhất.

Xem xét chương trình không gian hiện nay, chúng ta nhận thấy khoảng trống lớn giữa khả năng hạn chế của mình và những yêu cầu cho một tàu không gian thực sự để thám hiểm vũ trụ. Kể từ chuyến thám hiểm Mặt Trăng vào đầu thập niên 1970, chương trình không gian có người lái của chúng ta chỉ mới gửi được các phi hành gia lên quỹ đạo cách Trái Đất chừng 500 km trong tàu con thoi và Trạm Vũ trụ Quốc tế ISS. Tuy nhiên, NASA đã kết thúc chương trình tàu con thoi vào năm 2011 nhằm mở đường cho tàu Orion đưa các phi hành gia trở lại Mặt Trăng vào năm 2020, sau 50 năm bị gián đoạn. Kế hoạch của NASA là thiết lập một căn cứ có người ở lâu dài trên Mặt Trăng. Nhiệm vụ đưa người lên Hỏa Tinh có thể được tiến hành sau đó.

Dĩ nhiên, chúng ta phải thiết kế được một kiểu tên lửa mới nếu muốn đến được các ngôi sao. Chúng ta phải tăng triệt để sức đẩy của các tên lửa hiện có hoặc tăng thời gian vận hành của chúng. Chẳng hạn, một tên lửa lớn dùng nhiên liệu hóa học có thể tận dụng lực đẩy của vài triệu kilôgam nhiên liệu, nhưng nó đốt cháy hết lượng nhiên liệu này chỉ trong vài phút. Ngược lại, các thiết kế tên lửa khác, như động cơ ion (được mô tả trong phần tới), có thể có sức đẩy yếu hơn nhưng lại hoạt động được hàng năm trời ngoài không gian, ở phạm trù của tên lửa, thường thì rùa sẽ thắng thỏ.

ĐỘNG CƠ ION VÀ ĐỘNG CƠ PLASMA

Không giống như các động cơ sử dụng nhiên liệu hóa học, động cơ ion không tạo ra được các luồng khí siêu nóng tức thì để đẩy tên lửa thông thường. Thực tế, sức đẩy của chúng thường được đo vào cỡ chỉ vài chục gam nhiên liệu. Đặt trên mặt đất, chúng quá yếu để có thể tự nâng lên. Nhưng những hạn chế về sức đẩy lại được bù đắp nhờ thời gian hoạt động, vì các động cơ loại này có thể vận hành hàng năm trời ngoài không gian.

Động cơ ion điển hình trông giống như một ống phóng electron trong tivi. Dây đốt được gia nhiệt nhờ dòng điện sẽ tạo ra một chùm nguyên tử (như xenon chẳng hạn) bị ion hóa, phụt ra phía sau tên lửa. Thay vì cưỡi lên một luồng khí nóng và bùng nổ, các động cơ ion được đẩy nhờ một dòng ion mỏng nhưng ổn định.

Động cơ đẩy ion NSTAR của NASA đã được thử nghiệm thành công ngoài không gian trên tàu thăm dò Deep space 7, phóng năm 1998. Động cơ này đã hoạt động tổng cộng 678 ngày, lập kỷ lục trong số các động cơ loại này. Cơ quan Vũ trụ châu Âu ESA cũng thử nghiệm một động cơ ion trên tàu thăm dò Smart 1. Tàu thăm dò không gian Hayabusa của Nhật Bản (phóng đến một tiểu hành tinh) cũng được cung cấp năng lượng bằng bốn động cơ ion sử dụng khí xenon. Dù không có hình thức đẹp nhưng động cơ ion lại có thể sử dụng cho các sứ mệnh kéo dài nhiều năm giữa các hành tinh. Trên thực tế, rồi sẽ đến một ngày các động cơ ion trở thành phương tiện vận chuyển liên hành tinh.

Một dạng động cơ ion có khả năng vượt trội là động cơ plasma. Ví dụ, tên lửa VASIMR (tên lửa chuyên biệt sử dụng xung từ và plasma) dùng một chùm plasma mạnh để đẩy nó đi trong không gian. Đây là thiết kế của kỹ sư kiêm phi hành gia Franklin Chang-Diaz, sử dụng sóng vô tuyến và từ trường để làm nóng khí hiđrô lên hàng triệu độ bách phân. Khí plasma siêu nóng phụt ra phía sau tên lửa, tạo ra lực đẩy hiệu quả. Các nguyên mẫu của động cơ này đã được chế tạo trên Trái Đất, mặc dù chưa có thiết bị nào được phóng vào không gian. Một số kỹ sư hy vọng có thể sử dụng động cơ plasma để phục vụ sứ mệnh đến Hỏa Tinh, làm thời gian di chuyển giảm đáng kể xuống chỉ còn vài tháng. Một số thiết kế sử dụng quang điện để nạp năng lượng cho plasma trong động cơ. Các thiết kế khác lại sử dụng năng lượng hạt nhân (làm dấy lên quan ngại về độ an toàn, vì các phi thuyền phải mang theo một lượng nhiên liệu hạt nhân khá lớn, rất dễ gây tai nạn).

Tuy nhiên, cả động cơ ion và động cơ plasmaVASIMR đều không đủ năng lượng để đưa chúng ta đến các ngôi sao. Do đó, chúng ta cần một tổ hợp thiết kế hoàn toàn mới để tạo lực đẩy. Khó khăn nghiêm trọng đối với việc thiết kế một tàu liên sao nằm ở lượng nhiên liệu khủng khiếp mà nó phải mang theo để thực hiện chuyến đi đến ngay cả ngôi sao gần nhất, và hành trình dài dằng dặc trước khi con tàu đến được mục tiêu xa xôi của mình.

CÁNH BUỒM MẶT TRỜI

Một đề xuất có thể khắc phục những khó khăn vừa nêu là cánh buồm Mặt Trời. Thiết bị này khai thác thực tế rằng ánh sáng Mặt Trời tạo ra áp suất dù rất nhỏ nhưng đủ ổn định để đẩy một cánh buồm lớn trong không gian. Ý tưởng về cánh buồm Mặt Trời đã xuất hiện từ lâu, được nhà thiên văn vĩ đại Johannes Kepler trình bày trong chuyên luận Somnium năm 1611.

Mặc dù nguyên tắc vật lý của cánh buồm Mặt Trời khá đơn giản, nhưng chế tạo một cánh buồm Mặt Trời có thể đưa ra ngoài không gian không phải luôn thuận lợi. Năm 2004, một tên lửa Nhật Bản đã đẩy thành công hai nguyên mẫu cánh buồm Mặt Trời nhỏ lên không gian. Năm 2005, Hội Hành tinh, hãng phim Cosmos Studio và Viện Hàn lâm Khoa học Nga đã phóng phi thuyền Cosmos 1 từ một tàu ngầm trên biển Barents, nhưng tên lửa Volna đưa nó đi bị hỏng và cánh buồm không lên được quỹ đạo dự kiến. (Trước đó, vào năm 2001, người ta đã thử nghiệm với một cánh buồm Mặt Trời ở quỹ đạo thấp hơn nhưng cũng thất bại.) Nhưng vào tháng 2 năm 2006, một cánh buồm Mặt Trời có kích thước 15 m đã được phóng thành công lên quỹ đạo nhờ tên lửa đẩy M-V của Nhật Bản, mặc dù cánh buồm không mở ra được hết cỡ.

Mặc dù công nghệ cánh buồm Mặt Trời tiến triển chậm chạp, nhưng những người đề xướng công nghệ này đã có một ý tưởng khác để đưa cánh buồm Mặt Trời tới các ngôi sao: xây dựng một hệ nguồn phát laser lớn trên Mặt Trăng để bắn ra các chùm laser cường độ mạnh hướng đến cánh buồm, giúp nó tiến tới ngôi sao gần nhất. Nhưng đặc điểm vật lý của một cánh buồm Mặt Trời liên hành tinh như vậy thật sự gây nản lòng. Bản thân cánh buồm phải có kích thước hàng trăm kilômét và được lắp ráp hoàn toàn ngoài không gian. Chúng ta cũng phải xây dựng một hệ thống gồm hàng nghìn nguồn laser cường độ lớn trên Mặt Trăng, mỗi nguồn có khả năng bắn laser liên tục trong nhiều năm, thậm chí vài thập kỷ. (Theo ước lượng, chúng ta phải tạo ra các laser có năng lượng gấp 1.000 lần tổng năng lượng hiện sản xuất được trên Trái Đất.)

Về lý thuyết, một cánh buồm ánh sáng đồ sộ có khả năng chuyển động với tốc độ bằng một nửa tốc độ ánh sáng. Như vậy, nó chỉ mất khoảng tám năm để đến được ngôi sao gần nhất. Điểm thuận lợi của một hệ thống đẩy như vậy là nó có thể dùng các công nghệ có sẵn. Ta không cần phát minh thêm định luật vật lý mới nào để tạo ra một cánh buồm Mặt Trời như vậy. Nhưng trở ngại chính nằm ở mặt kinh tế và kỹ thuật. Khó khăn về kỹ thuật trong việc chế tạo một cánh buồm rộng hàng trăm kilômét và được đẩy đi nhờ hàng ngàn chùm tia laser mạnh đặt trên Mặt Trăng là rất lớn, đòi hỏi một công nghệ mà chúng ta phải mất cả thế kỷ nữa mới đạt được. (Một vấn đề nữa đối với cánh buồm Mặt Trời liên sao là việc đưa nó quay trở lại. Chúng ta sẽ phải thiết lập một hệ thống nguồn laser thứ hai trên một mặt trăng xa xôi khác để đẩy nó quay trở lại Trái Đất. Hoặc con tàu có thể quay nhanh quanh một ngôi sao, dùng nó làm bệ phóng để đạt đủ tốc độ cho chuyến hành trình trở lại. Sau đó, các laser trên Mặt Trăng sẽ được sử dụng để giảm tốc cho cánh buồm, giúp nó đáp xuống Trái Đất.)

ĐỘNG CƠ PHẢN LỰC DÒNG THẲNG

Ứng cử viên ưa thích của tôi trong việc giúp chúng ta đến được các ngôi sao là động cơ phản lực dòng thẳng. Hiđrô là nguyên tố phổ biến nhất trong vũ trụ, vì vậy động cơ phản lực dòng thẳng có thể “bắt” các nguyên tố này khi du hành trong không gian, nhờ đó mang lại nguồn nhiên liệu vô hạn cho tên lửa. Lượng hiđrô thu được sẽ được làm nóng đến hàng triệu độ, đủ để các phân tử này kết hợp với nhau, tỏa ra năng lượng của phản ứng nhiệt hạch.

Động cơ phản lực dòng thẳng được nhà vật lý Robert W. Bussard đề xuất vào năm 1960 và sau này được Carl Sagan giới thiệu tới công chúng. Bussard ước tính rằng về lý thuyết, một động cơ loại này nặng khoảng 1.000 tấn, có khả năng duy trì một lực đẩy ổn định và bằng trọng lượng của nó khi ở trên Trái Đất. Nếu động cơ phản lực dòng thẳng có thể duy trì sức đẩy như vậy trong một năm, nó sẽ đạt đến 77% tốc độ ánh sáng, đủ khả năng thực hiện các hành trình liên sao.

Ta có thể dễ dàng tính toán những yêu cầu đối với một động cơ phản lực dòng thẳng. Đầu tiên, chúng ta đã biết mật độ trung bình của khí hiđrô trong vũ trụ. Chúng ta cũng ước tính được lượng khí hiđrô cần đốt cháy để duy trì gia tốc của tên lửa bằng gia tốc rơi tự do. Những tính toán đó lại giúp xác định dụng cụ “xúc” khí hiđrô phải lớn như thế nào. Với vài giả định hợp lý, chúng ta có thể chỉ ra rằng mình cần một dụng cụ xúc có đường kính khoảng 160 km. Việc chế tạo một gầu xúc kích thước lớn như vậy trên Trái Đất gặp nhiều khó khăn, nhưng trong không gian, việc này sẽ dễ dàng hơn vì đây là môi trường không trọng lượng.

Về nguyên tắc, động cơ phản lực dòng thẳng có thể tự đẩy nó đến vô hạn, cho tới khi tới được những hệ sao xa xôi trong thiên hà. Theo Einstein, thời gian trôi chậm lại bên trong tên lửa, vì vậy tên lửa có thể đạt đến những khoảng cách thiên văn mà không cần đến biện pháp đặt phi hành đoàn vào trạng thái ngủ đông. Sau khi duy trì gia tốc của tên lửa bằng gia tốc rơi tự do được 11 năm, theo ghi nhận của các đồng hồ bên trong con tàu, nó sẽ đến được chòm sao Pleiades, cách chúng ta 400 năm ánh sáng. Sau 23 năm, con tàu sẽ đến thiên hà Andromeda, cách Trái Đất hai triệu năm ánh sáng. Về lý thuyết, tàu không gian này có thể đến được chân trời của vũ trụ khả kiến trong khoảng thời gian sống của một thành viên phi hành đoàn (mặc dù hàng tỷ năm đã trôi qua trên Trái Đất).

Tuy nhiên, một vấn đề mấu chốt còn chưa chắc chắn là phản ứng nhiệt hạch. Tại lò phản ứng nhiệt hạch ITER ở miền nam nước Pháp, các nhà khoa học tổng hợp hai đồng vị hiếm của hiđrô (deuteri và triti) để giải phóng năng lượng. Tuy nhiên, ở ngoài không gian, dạng phổ biến nhất của hiđrô chỉ gồm duy nhất một proton với một electron quay xung quanh. Do đó động cơ phản lực dòng thẳng phải khai thác phản ứng tổng hợp proton-proton. Mặc dù quá trình nhiệt hạch deuteritriti đã được các nhà vật lý nghiên cứu trong nhiều thập kỷ qua, nhưng phản ứng proton-proton vốn chưa được hiểu rõ, lại khó thực hiện hơn và tỏa ra ít năng lượng hơn. Vì vậy, việc làm chủ phản ứng proton-proton sẽ là một thách thức kỹ thuật lớn trong những thập niên sắp tới. (Thêm vào đó, một số kỹ sư còn hồ nghi về khả năng động cơ phản lực dòng thẳng thắng được các hiệu ứng cản trở chuyển động khi nó tiệm cận tốc độ ánh sáng.)

Cho đến khi nguyên tắc vật lý và tính kinh tế của phản ứng proton-proton được làm rõ, chúng ta vẫn khó có thể đưa ra các ước lượng chính xác về mức độ khả thi của loại động cơ này. Nhưng thiết kế này luôn nằm trong danh sách những ứng viên khả dĩ hàng đầu đối với bất kỳ sứ mệnh nào hướng tới các vì tinh tú.

TÊN LỬA SỬ DỤNG ĐIỆN HẠT NHÂN

Năm 1956, ủy ban Năng lượng Hạt nhân Mỹ AEC bắt đầu nghiêm túc xem xét các tên lửa hạt nhân thông qua Dự án Rover. Về lý thuyết, ta có thể sử dụng một lò phản ứng tổng hợp hạt nhân để gia nhiệt cho các loại khí như hiđrô đến nhiệt độ rất cao, sau đó các khí này được phóng ra phía sau tên lửa để tạo lực đẩy.

Vì một vụ nổ trong khí quyển Trái Đất có thể mang mức độ nguy hiểm cao, do liên quan đến chất thải hạt nhân, những mô hình động cơ tên lửa hạt nhân trước đây được đặt nằm ngang trên đường ray, sao cho các tên lửa thử nghiệm được điều khiển cẩn trọng từ xa. Động cơ tên lửa hạt nhân đầu tiên được thử nghiệm trong Dự án Rover vào năm 1959 có tên là Kiwi 1 (theo tên của một loại chim không biết bay ở Australia). Những năm 1960, NASA đã kết hợp với AEC chế tạo Động cơ Hạt nhân cho Tên lửa Vận tải NERVA; đây là tên lửa hạt nhân đầu tiên được thử nghiệm theo phương thẳng đứng thay vì phương nằm ngang như trước đây Tên lửa hạt nhân này đã được thử nghiệm vào năm 1968 với tư thế bắn thẳng đứng hướng xuống dưới.

Nghiên cứu này thu được những kết quả không rõ ràng. Các tên lửa kiểu này quá phức tạp và thường không phóng được. Rung động mạnh của động cơ hạt nhân thường phá vỡ buồng nhiên liệu, xé toạc tên lửa thành nhiều mảnh. Sự bào mòn do đốt cháy hiđrô ở nhiệt độ cao cũng là một vấn đề dai dẳng. Cuối cùng, chương trình tên lửa hạt nhân cũng khép lại vào năm 1972.

(Các tên lửa hạt nhân này còn vướng phải một vấn đề khác là mức độ nguy hiểm của một phản ứng hạt nhân liên hoàn, giống như trong một quả bom nguyên tử nhỏ. Các nhà máy điện hạt nhân thương mại sử dụng nhiên liệu hạt nhân đã được làm loãng và không thể phát nổ như quả bom được thả xuống Hiroshima, nhưng để tạo ra lực đẩy cực đại, các tên lửa hạt nhân phải sử dụng nhiên liệu hạt nhân được làm giàu urani và do đó có thể bùng phát theo phản ứng dây chuyền, tạo ra một vụ nổ hạt nhân nhỏ. Khi chương trình tên lửa hạt nhân gần như bị giải thể, các nhà khoa học đã quyết định thử nghiệm lần cuối. Họ tháo rời các thanh điều khiển tốc độ phản ứng [giúp duy trì phản ứng hạt nhân trong tầm kiểm soát]. Lò phản ứng vượt quá trạng thái tới hạn và bùng nổ thành một quả cầu lửa kinh hoàng. Dư âm đầy ngoạn mục này thậm chí đã được chụp lại. Người Nga phản đối chương trình vì họ cho rằng thử nghiệm nguy hiểm này vi phạm Hiệp ước Hạn chế Thử nghiệm Vũ khí Hạt nhân, theo đó các vụ nổ bom hạt nhân trên mặt đất bị nghiêm cấm.)

Nhiều năm qua, quân đội Mỹ thường xuyên xem xét lại các tên lửa hạt nhân. Timberwind là một chương trình tên lửa hạt nhân bí mật thuộc kế hoạch Star Wars của quân đội Mỹ vào những năm 1980. (Chương trình này bị hủy bỏ khi những chi tiết về sự tồn tại của nó được Hội Liên hiệp các Nhà khoa học Mỹ công bố.)

Mối quan ngại chính về tên lửa phân hạch hạt nhân là mức độ an toàn của chúng. Thậm chí đã 60 năm kể từ khi kỷ nguyên không gian bắt đầu, các tên lửa đẩy dùng nhiên liệu hóa thạch vẫn còn xác suất thất bại vào khoảng 1%. (Thất bại của hai tàu con thoi Challenger và Columbia, khiến 14 phi hành gia thiệt mạng, càng xác nhận thêm tỷ lệ này.)

Năm 2003, NASA đã phục hồi lại những nghiên cứu về tên lửa hạt nhân lần đầu tiên kể từ chương trình NERVA vào những năm 1960 bằng việc khởi động một chương trình mới là Prometheus, đặt theo tên vị thần Hy Lạp đã mang lửa đến cho loài người. Năm 2005, chương trình Prometheus được đầu tư 430 triệu đô-la, nhưng đã bị cắt giảm đáng kể xuống còn 100 triệu đô-la vào năm sau đó. Dự án này hiện đã bị dừng lại.

TÊN LỬA SỬ DỤNG SÓNG XUNG KÍCH HẠT NHÂN

Một khả năng xa vời khác là dùng một chuỗi các quả bom hạt nhân mini để đẩy tàu liên sao. Trong Dự án Orion, các nhà khoa học có kế hoạch kích nổ lần lượt các quả bom nguyên tử mini để tạo lực đẩy phía sau, giúp tàu không gian “cưỡi” lên làn sóng xung kích do các quả bom tạo ra. Trên lý thuyết, một thiết kế như vậy có thể giúp một tàu không gian tiệm cận tốc độ ánh sáng. Ý tưởng này được phác thảo lần đầu tiên vào năm 1947 bởi Stanislaw Ulam — người đã góp phần thiết kế quả bom khinh khí đầu tiên, rồi tiếp tục được phát triển bởi Ted Taylor (một trong những nhà thiết kế đầu đạn hạt nhân chủ chốt của quân đội Mỹ) và nhà vật lý Freeman Dyson thuộc Viện Nghiên cứu Cao cấp ở Princeton.

Cuối thập niên 1950 và 1960, các nhà khoa học đã thực hiện những tính toán phức tạp cho loại tên lửa liên sao này. Theo ước tính, một tàu liên sao có thể sử dụng loại tên lửa này để đến Diêm Vương Tinh và trở về trong một năm, với tốc độ tối đa bằng 10% tốc độ ánh sáng. Nhưng thậm chí với tốc độ đó, nó vẫn phải mất 44 năm để đến được ngôi sao gần nhất. Như vậy, một tàu không gian được đẩy nhờ một tên lửa liên sao sẽ phải du hành hàng thế kỷ, với một phi hành đoàn đa thế hệ được sinh ra và lớn lên trong con tàu, đến khi con cháu của họ đến được những ngôi sao lân cận.

Năm 1959, công ty General Atomics đưa ra một báo cáo ước lượng kích cỡ của tàu không gian Orion. Theo đó, loại lớn nhất, gọi là siêu tàu Orion, sẽ nặng tám triệu tấn, đường kính 400 m và được nạp năng lượng nhờ hơn 1.000 quả bom khinh khí.

Nhưng vấn đề chính của dự án là sự ô nhiễm do bụi phóng xạ sinh ra trong quá trình phóng tàu. Dyson ước tính bụi phóng xạ tạo ra trong mỗi lần phóng có thể gây ung thư cho 10 người. Thêm vào đó, các xung điện từ sinh ra trong lúc phóng tàu có thể mạnh đến mức gây ra hiện tượng đoản mạch trên diện rộng ở những hệ thống điện lân cận.

Hiệp ước Hạn chế Thử nghiệm Vũ khí Hạt nhân vào năm 1963 giống như một nhát dao kết liễu dự án. Cuối cùng, nguồn động lực chính thúc đẩy sự phát triển của dự án — nhà thiết kế bom hạt nhân Ted Taylor — cũng từ bỏ công việc này. (Ông đã có lần tâm sự với tôi rằng cuối cùng ông vỡ mộng về dự án khi nhận ra những kẻ khủng bố cũng có thể dùng nguyên lý của bom nguyên tử mini, hòng chế ra những quả bom nguyên tử cầm tay. Mặc dù kế hoạch bị hủy bỏ vì bị nhìn nhận là quá nguy hiểm, tên của dự án vẫn được dùng cho tàu Orion mà NASA chọn để thay thế tàu con thoi.)

Ý tưởng tên lửa đẩy sử dụng sóng xung kích hạt nhân được Hội Liên hành tinh Anh quốc khơi lại trong thời gian ngắn từ năm 1973 đến năm 1978, thông qua Dự án Daedalus, một nghiên cứu sơ bộ nhằm xem xét khả năng chế tạo một tàu liên sao không người lái có thể đến sao Barnard cách Trái Đất 5,9 năm ánh sáng. (Sao Barnard được chọn vì được cho là có một hành tinh quay quanh. Kể từ đó, hai nhà thiên văn Jill Tarter và Margaret Turnbull đã lên danh sách 17.129 ngôi sao gần chúng ta và có thể có các hành tinh phù hợp cho sự sống, ứng cử viên hứa hẹn nhất là hệ sao Epsilon Indi A, cách Trái Đất 11,8 năm ánh sáng.)

Tàu tên lửa dự kiến cho Dự án Daedalus lớn đến mức phải được lắp ráp ngoài không gian. Con tàu này cần có trọng lượng 54.000 tấn, với phần lớn là nhiên liệu dành cho tên lửa đẩy, và có thể đạt tốc độ bằng 7,1% tốc độ ánh sáng với tải trọng 450 tấn. Không sử dụng các quả bom phân hạch cỡ nhỏ như Dự án Orion, Dự án Daedalus dự kiến sử dụng các quả bom khinh khí nhỏ dùng hỗn hợp deuteriheli-3 được kích hoạt bằng chùm tia electron. Vì những khó khăn kỹ thuật khủng khiếp cũng như những quan ngại về hệ thống đẩy hạt nhân, Daedalus bị gác lại vô thời hạn.

XUNG RIÊNG VÀ HIỆU SUẤT ĐỘNG CƠ

Các kỹ sư thường dùng thuật ngữ “xung riêng” để xếp loại hiệu suất của các thiết kế động cơ khác nhau. “Xung riêng” được định nghĩa là sự biến thiên động lượng tính cho mỗi đơn vị khối lượng nhiên liệu dùng để đẩy tên lửa. Do đó, động cơ có hiệu suất càng cao càng cần ít nhiên liệu để đẩy một tên lửa ra ngoài không gian. Động lượng là tích của lực và thời gian nó tác động. Mặc dù tạo ra lực đẩy rất lớn nhưng các tên lửa sử dụng nhiên liệu hóa học chỉ hoạt động trong vài phút, do đó có xung riêng rất nhỏ. Trong khi đó, vì có thể vận hành hàng năm trời nên các động cơ ion có thể có xung riêng rất cao dù lực đẩy nhỏ.

Xung riêng được đo bằng đơn vị giây. Một tên lửa dùng nhiên liệu hóa học thông thường có thể đạt xung riêng 400-500 giây. Xung riêng của động cơ tàu con thoi là 453 giây. (Xung riêng lớn nhất từng đạt được ở một động cơ hóa học là 542 giây, sử dụng nhiên liệu đẩy là hỗn hợp hiđrô, liti và flo.) Sức đẩy của động cơ ion Smart 1 có xung riêng là 1.640 giây. Tên lửa dùng sóng xung kích hạt nhân đạt xung riêng 850 giây.

Xung riêng khả dĩ cực đại, khoảng 30 triệu giây, thuộc về tên lửa có tốc độ ánh sáng. Bảng sau cho biết xung riêng của các loại động cơ tên lửa khác nhau.

(Về nguyên tắc, vì các cánh buồm Mặt Trời sử dụng lực đẩy của chùm tia laser và các động cơ phản lực dòng thẳng không cần nhiên liệu đẩy nên chúng có xung riêng bằng vô hạn, mặc dù chúng cũng có những vấn đề riêng.)

THANG MÁY KHÔNG GIAN

Một bất cập lớn của nhiều thiết kế tên lửa kiểu này là chúng quá cồng kềnh và nặng nề nên không thể lắp đặt trên Trái Đất. Đó là lý do khiến một số nhà khoa học đề xuất chế tạo chúng trong không gian: môi trường không trọng lực ở đây có thể giúp phi hành gia dễ dàng nâng các vật. Nhưng những người phê bình hiện nay chỉ ra chi phí cao ngất của việc lắp ráp ngoài không gian. Ví dụ, Trạm Vũ trụ Quốc tế ISS cần tới hàng trăm lần phóng tàu con thoi để hoàn tất việc lắp ráp và chỉ riêng chi phí của việc đó đã lên tới 100 tỷ đô-la. Đây là dự án khoa học tốn kém nhất trong lịch sử. Và việc xây dựng thuyền buồm không gian hay hệ thống bắt hiđrô của tàu phản lực dòng thẳng ngoài không gian sẽ còn tốn kém hơn nhiều lần.

Nhưng như nhà văn khoa học viễn tưởng Robert Heinlein thường nói, vượt qua được độ cao 160 km là ta đã thực hiện được một nửa hành trình để đến bất cứ đâu trong Hệ Mặt Trời. Đó là vì bất cứ vụ phóng tàu không gian nào, khi tên lửa cố gắng thoát khỏi trọng lực của Trái Đất, 160 km đầu tiên là quãng đường tốn kém nhất. Sau đó, một tàu tên lửa có thể tới Diêm Vương Tinh hoặc xa hơn nữa.

Một cách giảm chi phí trong tương lai là xây dựng thang máy không gian. Ý tưởng trèo lên một sợi dây để tới thiên đàng đã có từ xa xưa, chẳng hạn như trong câu chuyện cổ tích Jack và cây đậu thần, nhưng nó có thể trở thành thực tế nếu sợi dây được nối dài ra ngoài không gian. Khi đó, lực ly tâm do chuyển động quay của Trái Đất tạo ra sẽ đủ để triệt tiêu lực hấp dẫn, nhờ vậy sợi dây sẽ không rơi xuống mà dựng đứng trong không khí như có phép màu, với một đầu dây lẩn khuất trong mây. (Hãy hình dung một quả cầu gắn ở đầu một sợi dây đang quay. Quả cầu dường như thách thức lực hấp dẫn, vì lực ly tâm đẩy nó rời xa tâm quay. Tương tự, một sợi dây rất dài có thể treo lơ lửng trong không khí nhờ vào chuyển động quay của Trái Đất.) Ta không cần bất cứ thứ gì để giữ sợi dây thẳng đứng, ngoại trừ chuyển động quay của Trái Đất. Khi ấy, về lý thuyết, một người có thể trèo lên sợi dây và tiến vào không gian. Đôi khi chúng tôi cho sinh viên lớp vật lý ở Đại học New York làm bài tập tính lực căng của một sợi dây như vậy. Ta dễ dàng chỉ ra sức căng trên dây đủ để làm đứt sợi dây, thậm chí cả khi nó làm bằng thép. Đây cũng là lý do khiến bấy lâu nay việc xây dựng một thang máy không gian được nhìn nhận là không khả thi.

Người đầu tiên nghiêm túc nghiên cứu thang máy không gian là nhà khoa học người Nga có tầm nhìn xa trông rộng Konstantin Tsiolkovsky. Lấy cảm ứng từ tháp Eiffel, vào năm 1895, ông đã mường tượng một tòa tháp có thể vươn tới không gian, kết nối Trái Đất với bầu trời. Theo ông, nó sẽ được xây dựng từ dưới lên, bắt đầu từ Trái Đất; các kỹ sư sẽ tăng dần độ cao của thang máy lên đến bầu trời.

Năm 1957, nhà khoa học người Nga Yuri Artsutanov đề xuất một giải pháp mới là xây dựng thang máy theo chiều ngược lại, từ trên xuống, bắt đầu từ ngoài không gian. Ông hình dung một vệ tinh gần như đứng yên trên quỹ đạo địa tĩnh ở độ cao gần 60.000 km ngoài không gian và từ đó chúng ta có thể thòng một sợi dây xuống Trái Đất. Đầu dưới của sợi dây sẽ được neo cố định trên mặt đất. Nhưng giới hạn bền của một thang máy không gian phải có giá trị trong khoảng 60-100 gigapascal (gpa). Nhưng dây thép bị đứt ngay ở suất căng khoảng hai gpa, nên ý tưởng này còn xa mới thành hiện thực.

Ý tưởng thang máy không gian tiếp cận được đông đảo độc giả nhờ các tiểu thuyết The Fountains of Paradise (Đường lên trời) của Arthur C. Clarke năm 1979 và Friday (Ngày thứ Sáu) của Robert Heinlein năm 1982. Nhưng vì không có tiến triển gì thêm nên ý tưởng của họ dần rơi vào quên lãng.

Tiến trình đã thay đổi đáng kể khi các nhà hóa học phát triển nên ống nano cacbon. Mối quan tâm dành cho vấn đề này bỗng chốc sáng trở lại nhờ công trình năm 1991 của nhà vật lý Sumio Iijima thuộc công ty Nippon Electric (tuy bằng chứng về các ống nano cacbon đã xuất hiện từ những năm 1950 nhưng nó bị bỏ qua ở thời điểm đó). Điều đáng kinh ngạc là các ống nano cacbon cứng hơn và nhẹ hơn thép nhiều. Thực tế, nó vượt qua cả độ bền cần thiết để duy trì một thang máy không gian. Các nhà khoa học tin rằng một sợi nano cacbon có thể trụ vững ở áp suất 120 gpa, vượt qua giới hạn phá vỡ. Phát minh này đã nhen nhóm lại nỗ lực xây dựng một thang máy không gian.

Năm 1999, một nghiên cứu của NASA đã mang lại những nhận định nghiêm túc về thang máy không gian. Nghiên cứu này ước tính về một dải ruy băng có bề rộng chừng một mét, chiều dài 47.000 km và có khả năng vận chuyển 15 tấn trọng tải lên quỹ đạo quanh Trái Đất. Một thang máy không gian như vậy có thể làm thay đổi chi phí của những chuyến du hành không gian ngắn hạn. Giá thành có thể giảm xuống 10.000 lần — một sự thay đổi mang tính cách mạng.

Giá thành hiện nay để đưa một kilôgam vật liệu lên quỹ đạo quanh Trái Đất là hơn 20.000 đô-la. Ví dụ, mỗi nhiệm vụ phóng tàu con thoi có chi phí ước tính là 700 triệu đô-la. Một thang máy không gian có thể giảm giá thành xuống còn hơn hai đô-la cho mỗi kilôgam. Chi phí cho chương trình không gian khi giảm triệt để có thể sẽ thay đổi hoàn toàn quan điểm của chúng ta về du hành không gian. Về nguyên tắc, chỉ với một cú bấm là chúng ta có thể vận hành thang máy lướt ra ngoài không gian, với chi phí chỉ tương đương một tấm vé máy bay thông thường.

Nhưng chúng ta phải giải quyết những khó khăn lớn trước mắt trước khi xây dựng một thang máy không gian có thể nâng bước chúng ta lên bầu trời. Thứ nhất, các sợi nano cacbon tinh khiết được chế tạo trong phòng thí nghiệm hiện có chiều dài không quá 15 mm, trong khi để xây dựng một thang máy không gian, chúng ta phải tạo ra những sợi cáp nano cacbon có độ dài hàng nghìn kilômét. Dù chỉ là một vấn đề kỹ thuật khi nhìn dưới góc nhìn khoa học, nhưng nó lại là một vấn đề khó nhằn cần được giải quyết sớm nếu chúng ta muốn chế tạo một thang máy không gian. Tuy nhiên, nhiều nhà khoa học tin rằng trong vài thập niên tới, chúng ta sẽ làm chủ được công nghệ chế tạo các sợi cáp nano cacbon dài.

Thứ hai, độ lẫn tạp ở mức độ vi mô trong chất liệu nano cacbon có thể khiến một sợi cáp dài gặp vấn đề. Nicola Pugno ở Đại học Bách khoa Turin, Ý, ước tính chỉ một nguyên tử bị lệch hàng cũng khiến độ cứng của ống nano giảm đi 30%. Nói chung, những sai lệch ở thang nguyên tử có thể làm giảm độ cứng của ống nano cacbon nhiều nhất là 70%, thấp hơn giới hạn bền tối thiểu để giữ vững một thang máy không gian trên bầu trời.

Để thúc đẩy mối quan tâm của giới kinh doanh đến thang máy không gian, NASA đã đưa ra hai giải thưởng riêng biệt. (Các giải này tương tự như Ansari X-prize — giải thưởng đã thành công trong việc khuyến khích các nhà phát minh táo bạo chế tạo ra tên lửa thương mại có khả năng đưa hành khách lên tới độ cao chạm ngưỡng không gian. Giải X-prize đã được trao cho Spaceship One vào năm 2004.) Các giải thưởng do NASA đề ra có tên là Beam Power Challenge (giải BPC — Thách thức Chùm năng lượng) và Tether Challenge (giải TC — Thách thức Dây dắt). Trong giải BPC, các đội thi phải vận chuyển một thiết bị cơ nặng tối thiểu 25 kg đi lên một sợi dây (được treo thõng xuống từ một cần trục) với tốc độ 1 mgiây lên độ cao 50 m. Điều này nghe có vẻ dễ dàng nhưng khó khăn nằm ở chỗ thiết bị này không được sử dụng nhiên liệu, nguồn điện hay dây truyền điện. Thay vào đó, nó có thể được nạp năng lượng nhờ ánh sáng mặt trời, các tấm pin quang điện, laser hoặc vi sóng — những nguồn năng lượng phù hợp hơn với nhu cầu sử dụng ngoài không gian.

Trong giải TC, các đội thi phải chế tạo một đoạn dây dài hai mét, không nặng quá hai gam và phải mang được vật nặng hơn 50% so với khối lượng của vật nặng mà sợi dây tốt nhất năm trước làm được. Mục đích của thách thức này là để khuyến khích việc nghiên cứu phát triển các vật liệu nhẹ nhưng bền chắc để treo lên độ cao 100.000 km trong không gian. Các giải thưởng có trị giá lần lượt là 150.000, 40.000 và 10.000 đô-la. (Để bạn hình dung được sự khó nhằn của thách thức, tôi xin chỉ ra rằng vào năm 2005, năm đầu tiên của cuộc thi, không có ai giành giải.)

Mặc dù việc chế tạo thành công một thang máy không gian có thể cách mạng hóa chương trình không gian, nhưng những cỗ máy như vậy cũng có một số rủi ro. Chẳng hạn, quỹ đạo của các vệ tinh gần mặt đất dịch chuyển liên tục khi chúng quay quanh Trái Đất (do Trái Đất quay bên dưới chúng). Điều này có nghĩa là các vệ tinh có thể va chạm với thang máy không gian ở tốc độ gần 30.000 kmgiờ, đủ khả năng làm đứt cáp treo thang máy. Để ngăn ngừa một thảm họa như vậy, trong tương lai hoặc các vệ tinh phải được thiết kế kèm theo tên lửa đẩy nhỏ để có thể bay vòng qua thang máy, hoặc cáp treo thang máy phải được gắn với các động cơ đẩy loại nhỏ giúp nó né các vệ tinh đi ngang qua.

Những va chạm với các tiểu thiên thạch cũng là một vấn đề, vì thang máy không gian nằm ngoài bầu khí quyển Trái Đất, trong khi bầu khí quyển lại bảo vệ chúng ta khỏi những thiên thạch này. Bởi những va chạm với các thiên thạch là không thể đoán trước, nên thang máy không gian phải được chế tạo với một hay thậm chí vô số hệ thống bảo vệ bên ngoài để đảm bảo an toàn. Các hiệu ứng thời tiết thất thường trên Trái Đất như lốc xoáy, sóng thần và bão tố cũng có thể gây ảnh hưởng.

HIỆU ỨNG TRỌNG LỰC HỖ TRỢ

Một cách mới mẻ khác để đẩy một vật đến gần tốc độ ánh sáng là sử dụng hiệu ứng “trọng lực hỗ trợ”. Khi gửi các tàu thăm dò không gian đến các hành tinh vòng ngoài của Hệ Mặt Trời, đôi khi NASA cho chúng bay vòng qua một hành tinh kế cận, lợi dụng hiệu ứng trọng lực hỗ trợ để tăng tốc cho tàu, nhờ đó tiết kiệm được lượng nhiên liệu đáng kể dùng cho tên lửa đẩy. Đó là cách mà tàu vũ trụ Voyager đến được Hải Vương Tinh — hành tinh ngoài cùng của Hệ Mặt Trời.

Theo nhà vật lý công tác tại Princeton là Freeman Dyson, trong tương lai xa chúng ta sẽ có thể tìm thấy một hệ hai sao neutron đang quay quanh nhau với tốc độ lớn. Bằng cách tiến đến cực gần một trong hai ngôi sao đó, chúng ta có thể bay quanh nó, nhờ vậy được ném vụt vào không gian với tốc độ bằng 1/3 tốc độ ánh sáng. Như vậy, chúng ta sử dụng lực hấp dẫn để tạo ra lực đẩy bổ sung, đưa ta tới gần tốc độ ánh sáng. Về lý thuyết, điều này hoàn toàn có thể thực hiện được.

Một số người lại đề xuất việc bay quanh chính Mặt Trời để gia tốc đến gần tốc độ ánh sáng. Thực tế, biện pháp này đã được sử dụng trong tập phim Star Trek IV: Hành trình về nhà, khi phi hành đoàn tàu Enterprise đánh cắp một con tàu Klingon rồi bay đến gần Mặt Trời để tăng tốc và phá vỡ rào cản ánh sáng nhằm đi ngược thời gian. Trong bộ phim When Worlds Collide (Sự va chạm giữa các thế giới) khi Trái Đất bị đe dọa bởi vụ va chạm với một tiểu hành tinh, các nhà khoa học rời bỏ Trái Đất bằng cách tạo ra một đường lượn siêu tốc khổng lồ. Một tàu tên lửa lao dốc trên đường lượn này, tăng đến tốc độ khổng lồ rồi lao đi vun vút ở đáy đường lượn để phóng vào không gian.

Tuy nhiên, trong thực tế, các phương pháp sử dụng lực hấp dẫn kể trên không thể giúp chúng ta mở đường vào không gian. (Theo định luật bảo toàn năng lượng, khi lao dốc xuống một đường lượn rồi quay lên, chúng ta sẽ đạt đến cùng vận tốc như khi bắt đầu, vì vậy không có sự gia tăng năng lượng. Cũng như vậy, bằng cách bay vùn vụt quanh Mặt Trời đứng yên, chúng ta sẽ đạt tới cùng vận tốc như vận tốc ban đầu.) Phương pháp tận dụng hai ngôi sao neutron của Dyson có thể hoạt động được vì các sao neutron quay rất nhanh. Một con tàu vũ trụ sử dụng hiệu ứng trọng lực hỗ trợ để tăng năng lượng nhờ vào chuyển động của hành tinh hay ngôi sao mà nó bay vòng qua. Nếu các thiên thể này đứng yên, sẽ không có hiệu ứng trọng lực hỗ trợ nào xảy ra.

Mặc dù đề xuất của Dyson có thể thực hiện nhưng nó không giúp ích cho các nhà khoa học còn đang gắn chặt với Trái Đất như hiện nay, bởi chúng ta sẽ cần một tàu liên sao để đến được những ngôi sao neutron đang quay.

SÚNG ĐIỆN TỪ HƯỚNG LÊN BẦU TRỜI

Một biện pháp tài tình khác để phóng các vật vào không gian với tốc độ không tưởng là súng điện từ, đã được Arthur C. Clarke và những nhà văn khác mô tả trong các tiểu thuyết khoa học viễn tưởng và hiện đang được kiểm nghiệm nghiêm túc như một phần của hệ thống phòng thủ tên lửa Star Wars.

Thay vì sử dụng nhiên liệu tên lửa hay thuốc súng để đẩy một vật đến vận tốc lớn, súng đường ray sử dụng năng lượng điện từ.

Ở dạng đơn giản nhất, súng điện từ gồm hai thanh ray đặt song song và một viên đạn chạy dọc theo cả hai ray, tạo thành hình chữ U. Ngay cả Michael Faraday cũng đã biết một dòng điện sẽ chịu tác dụng của mọi lực khi được đặt trong từ trường. (Đây là nền tảng của tất cả các động cơ điện.) Khi cho dòng điện có cường độ hàng triệu ampe chạy qua các thanh ray và viên đạn, một từ trường mạnh được tạo ra trong khu vực quanh các ray. Từ trường này đẩy viên đạn chạy dọc theo các thanh ray với tốc độ rất lớn.

Súng điện từ đã phóng thành công các vật bằng kim loại với vận tốc phóng rất lớn trên quãng đường di chuyển rất ngắn. Đáng chú ý là về lý thuyết, một súng điện từ đơn giản có thể bắn ra một viên đạn kim loại với vận tốc khoảng 29.000 kmgiờ, giúp nó đến được quỹ đạo quay quanh Trái Đất. Về nguyên tắc, toàn bộ tên lửa đẩy của NASA có thể được thay thế bằng các súng điện từ để phóng các vật nặng lên quỹ đạo từ Trái Đất.

Súng điện từ sở hữu một lợi thế đáng kể so với tên lửa hóa học và súng thường. Trong nòng súng thường, vận tốc lớn nhất mà khối khí nhiên liệu giãn nở có thể đẩy một viên đạn đi bị giới hạn bởi tốc độ của sóng xung kích. Mặc dù ý tưởng sử dụng thuốc súng để phóng các phi hành gia lên Mặt Trăng đã được Jules Verne nhắc đến trong tiểu thuyết kinh điển From the Earth to the Moon (Từ Trái Đất lên Mặt Trăng) nhưng chúng ta hoàn toàn có thể tính được vận tốc lớn nhất của thuốc súng chỉ bằng một phần tốc độ cần thiết để đưa người lên vệ tinh tự nhiên này. Tuy nhiên, súng điện từ không bị hạn chế bởi tốc độ sóng xung kích.

Nhưng súng điện từ có những vấn đề khác. Nó gia tốc các vật nhanh đến mức chúng thường bị bẹt khi va mạnh vào không khí. Các tải vật bị biến dạng mạnh trong quá trình bắn ra khỏi nòng súng điện từ vì va chạm với không khí ở tốc độ lớn như vậy cũng như va phải bức tường gạch. Thêm vào đó, gia tốc khủng khiếp của tải vật dọc theo đường ray cũng đủ làm chúng biến dạng. Các đường trượt này phải được thay thế thường xuyên do những hư hại mà các vật được phóng đi gây ra. Hơn nữa, lực quán tính tác dụng lên phi hành gia dễ dàng bóp nát toàn bộ xương cốt người này.

Một đề xuất được đưa ra là lắp đặt một khẩu súng điện từ trên Mặt Trăng. Bên ngoài khí quyển Trái Đất, viên đạn của súng đường ray có thể phóng đi dễ dàng qua chân không. Nhưng ngay cả khi đó, gia tốc khủng khiếp mà súng điện từ tạo ra vẫn có thể gây hư hại cho các tải vật. Ở một số phương diện, súng điện từ ngược lại với cánh buồm laser — những cánh buồm này được chế tạo để từ từ đạt vận tốc tối đa trong khoảng thời gian dài. Các súng điện từ bị hạn chế vì chúng dồn quá nhiều năng lượng trong một vùng không gian quá chật hẹp.

Chi phí tạo ra súng điện từ phóng các vật đến những ngôi sao kế cận chúng ta có thể rất cao. Theo một đề xuất, súng điện từ sẽ được chế tạo ngoài không gian, trải dài trên khoảng cách bằng 2/3 quãng đường từ Trái Đất đến Mặt Trời. Nó sẽ tích trữ quang năng từ Mặt Trời rồi đột ngột giải phóng năng lượng này vào súng điện từ, đẩy 10 tấn tải vật đến tốc độ bằng 1/3 tốc độ ánh sáng, với gia tốc bằng 5.000 lần gia tốc rơi tự do. Không hề ngạc nhiên là chỉ những tải vật robot cứng nhất mới có thể tồn tại dưới tác động của các gia tốc khủng khiếp như vậy.

NHỮNG HIỂM NGUY CỦA VIỆC DU HÀNH KHÔNG GIAN

Dĩ nhiên, du hành không gian không phải là một chuyến dã ngoại cuối tuần. Nhiều hiểm nguy khủng khiếp đang chờ đợi những chuyến bay có người lái đến Hỏa Tinh hay xa hơn nữa. Sự sống trên Trái Đất đã được bao bọc trong hàng triệu năm: tầng ôzôn bảo vệ Trái Đất khỏi các tia tử ngoại, từ trường của nó giúp chống lại các vết lóa mặt trời và tia vũ trụ, còn bầu khí quyển dày đốt cháy các thiên thạch khi chúng tiến tới gần Trái Đất. Chúng ta thừa hưởng mức nhiệt độ cùng áp suất không khí vừa phải và chỉ có thể tìm thấy trên Trái Đất. Nhưng trong không gian sâu thẳm, chúng ta phải đối diện với thực tế là hầu như toàn bộ vũ trụ đang ở trong tình trạng hỗn độn, với các vành đai bức xạ chết người và đầy rẫy các thiên thể bay tứ tán.

Điều đầu tiên cần được giải quyết đối với những chuyến du hành không gian kéo dài là vấn đề không trọng lực. Những nghiên cứu dài hơi của các nhà khoa học Nga về vấn đề này đã chỉ ra cơ thể sẽ mất muối và các khoáng chất quan trọng trong không gian nhanh hơn nhiều so với thông thường. Dù có một chương trình tập luyện gắt gao nhưng sau một năm trên trạm không gian, hệ xương và cơ của các nhà du hành vũ trụ Nga vẫn bị teo lại nhiều đến nỗi họ chỉ có thể bò như em bé khi mới trở về Trái Đất. Teo cơ, tổn thương hệ xương, giảm sản lượng hồng cầu, suy yếu khả năng miễn dịch và suy giảm khả năng vận động chức năng của hệ tim mạch có vẻ là các hệ quả không thể tránh khỏi của việc ở lâu ngoài vũ trụ trong trạng thái không trọng lượng.

Những chuyến bay đến Hỏa Tinh có thể kéo dài vài tháng đến một năm, sẽ đẩy các phi hành gia tới sát giới hạn chịu đựng của họ. Đối với những nhiệm vụ dài hơi hướng tới các ngôi sao gần chúng ta, đó sẽ là vấn đề trí mạng. Tàu liên sao trong tương lai có lẽ phải được thiết kế quay để tạo ra một trường hấp dẫn nhân tạo nhờ vào lực ly tâm, từ đó giúp kéo dài sự sống. Điều chỉnh này sẽ làm tăng đáng kể chi phí vận hành và mức độ phức tạp của các phi thuyền không gian trong tương lai.

Thứ hai, do có nhiều thiên thạch nhỏ trong không gian đang chuyển động với tốc độ hàng chục ngàn kilômétgiờ nên tàu không gian phải được trang bị thêm những lớp khiên chắn. Các kiểm tra kỹ lưỡng đối với lớp vỏ của tàu con thoi cho thấy bằng chứng của một vài vụ oanh tạc nhỏ nhưng có tính sát thương cao của các tiểu thiên thạch. Trong tương lai, có lẽ các tàu không gian phải có một buồng đặc biệt được gia cố đa lớp cho phi hành đoàn.

Hoạt độ phóng xạ trong không gian sâu thẳm mạnh hơn nhiều so với dự đoán trước đây. Chẳng hạn, trong chu kỳ bùng phát 11 năm của Mặt Trời, các vùng lóa của nó có thể bắn ra vô số chùm tia plasma chết chóc hướng đến Trái Đất. Trong quá khứ, hiện tượng này đã buộc các phi hành gia trên trạm không gian phải tìm kiếm giải pháp bảo vệ đặc biệt nhằm chống lại những loạt “đạn” có tính sát thương cao của các hạt hạ nguyên tử từ Mặt Trời. Các cuộc đi bộ trong không gian trong suốt thời gian bùng phát của Mặt Trời là quá mạo hiểm. (Ngay cả việc đơn giản như đáp chuyến bay xuyên lục địa từ Los Angeles đến New York cũng khiến chúng ta phơi nhiễm bức xạ Mặt Trời với hoạt độ khoảng một milirem cho mỗi giờ bay. Khi kết thúc hành trình, chúng ta đã hứng chịu bức xạ tương đương với lượng tia X mà một chiếc máy chụp răng phát ra.) Trong không gian xa xôi, nơi bầu khí quyển và từ trường Trái Đất không còn che chở cho chúng ta nữa, sự phơi nhiễm bức xạ là một vấn đề nghiêm trọng.

CHẾT GIẢ

Các thiết kế tên lửa đã trình bày ở trên thường bị chỉ trích rằng thậm chí nếu chúng ta chế tạo được tàu liên sao thì nó cũng sẽ mất hàng thập kỷ cho đến cả thế kỷ mới tới được các ngôi sao gần chúng ta. Sứ mệnh như vậy cần một phi hành đoàn đa thế hệ và chỉ con cháu của họ mới tới được đích đến cuối cùng.

Một giải pháp, như đã được đề xuất trong bộ phim Alien (Quái vật không gian) và Planet of the Apes (Hành tinh khỉ), là đưa các nhà du hành không gian vào trạng thái chết giả. Theo đó, thân nhiệt của họ sẽ được cẩn thận hạ xuống cho đến khi các chức năng hầu như ngưng hoạt động. Những loài động vật ngủ đông vẫn thực hiện việc này mỗi mùa đông. Một số loài cá và ếch có thể bị đông đá trong các khối băng, sau đó rã băng khi nhiệt độ tăng lên.

Khi nghiên cứu hiện tượng kỳ lạ này, các nhà sinh học tin rằng các loài động vật như vậy có khả năng tạo ra cơ chế “chống đóng băng” tự nhiên, giúp giảm nhiệt độ đóng băng của các phân tử nước trong cơ thể. Cơ chế này liên quan tới một số protein nhất định ở loài cá và glucose ở loài ếch. Vì có nhiều protein này trong máu nên cá có thể tồn tại ở Bắc Cực dưới nhiệt độ khoảng -2°C. Ếch phát triển khả năng duy trì đường huyết cao, nhờ đó ngăn chặn sự hình thành các tinh thể băng. Cơ thể chúng có thể bị đóng băng bên ngoài nhưng bên trong thì không, cho phép các cơ quan vẫn hoạt động nhưng với tốc độ giảm đi đáng kể.

Tuy nhiên, có một số vấn đề xuất hiện khi áp dụng khả năng này vào các loài động vật có vú. Khi các mô ở người bị đóng băng, các tinh thể băng bắt đầu hình thành bên trong tế bào. Khi các tinh thể này lớn dần, chúng có thể đâm vào và phá hủy thành tế bào. (Những người nổi tiếng muốn đông lạnh cơ thể trong nitơ lỏng sau khi qua đời có lẽ nên suy nghĩ lại.)

Tuy nhiên, gần đây chúng ta đã đạt được một số tiến triển trong việc tạo ra trạng thái chết giả ở số ít động vật có vú không ngủ đông tự nhiên, như chuột và chó. Năm 2005, các nhà khoa học ở Đại học Pittsburgh đã có thể khiến những con chó “sống lại” sau khi rút hết máu của chúng và thay bằng một dung dịch băng-lạnh đặc biệt. Sau ba tiếng chết lâm sàng, chúng được hồi sinh khi tim bắt đầu đập trở lại. (Hầu hết đều khỏe mạnh trở lại sau liệu pháp này, nhưng một vài con đã bị tổn thương não.)

Cũng trong năm đó, các nhà khoa học đã đưa những con chuột vào trong một buồng chứa hiđrô sulfua và hạ được nhiệt độ cơ thể chúng xuống 13°c trong sáu giờ. Tốc độ trao đổi chất của chúng giảm đi 1/10. Năm 2006, các bác sĩ ở bệnh viện Đa khoa Massachusetts ở Boston cũng đã làm cho lợn và chuột rơi vào trạng thái chết giả bằng cách sử dụng hiđrô sulfua.

Trong tương lai, các liệu pháp như vậy có thể giúp cứu sống những người bị tai nạn nặng hoặc bị trụy tim trong thời khắc sinh tử. Trạng thái chết giả có thể giúp các bác sĩ “đóng băng thời gian” cho đến khi bệnh nhân được chữa trị. Nhưng có lẽ phải tới vài thập kỷ nữa hoặc hơn thì những kỹ thuật như vậy mới có thể được áp dụng cho phi hành gia — những người cần rơi vào trạng thái chết giả trong hàng thế kỷ.

TÀU NANO

Vẫn còn những cách khác để đến được các ngôi sao nhờ những công nghệ tân tiến hơn, nằm ở biên giới của khoa học viễn tưởng mà chúng ta chưa thể chứng minh. Một đề xuất đầy hứa hẹn là sử dụng tàu thăm dò không người lái hoạt động dựa trên công nghệ nano. Xuyên suốt phần thảo luận này, tôi đã giả định rằng các tàu liên sao phải là những thiết bị khổng lồ, ngốn lượng năng lượng cũng khổng lồ không kém và có thể mang theo một phi hành đoàn đông đúc tiến đến các ngôi sao, giống như tàu liên sao Enterprise của Star Trek.

Nhưng chúng ta có thể bắt đầu với một cách dễ dàng hơn là gửi đến các ngôi sao xa xôi những tàu thăm dò không người lái mini tiệm cận tốc độ ánh sáng. Như đã đề cập, trong tương lai, khi công nghệ nano phát triển, chúng ta có thể tạo ra những tàu không gian nhỏ xíu sử dụng năng lượng nguyên tử và động cơ kích cỡ phân tử. Chẳng hạn, vì rất nhẹ nên các ion có thể được gia tốc dễ dàng đến tốc độ tiệm cận tốc độ ánh sáng chỉ bằng điện áp thường dùng trong phòng thí nghiệm. Chúng có thể được gửi vào không gian với tốc độ tiệm cận ánh sáng bằng các trường điện từ mạnh thay vì bằng tên lửa đẩy khổng lồ. Điều này ngụ ý rằng nếu được ion hóa và đặt trong điện trường, một nanobot có thể dễ dàng được đẩy đến tốc độ gần bằng ánh sáng chẳng mấy khó khăn. Sau đó, nanobot này có thể chuyển động theo quán tính đến các ngôi sao, vì ngoài không gian không có ma sát. Theo cách này, nhiều vấn đề bủa vây các tàu liên sao cỡ lớn được giải quyết ngay lập tức. Các tàu không gian nanobot thông minh không người lái có thể đến các hệ sao gần chúng ta chỉ với một phần nhỏ chi phí chế tạo và phóng một chiếc tàu liên sao khổng lồ chở cả phi hành đoàn.

Những tàu nano như vậy có thể được dùng để đến các ngôi sao gần hoặc theo như đề nghị của Nordley — kỹ sư ngành hàng không vũ trụ đã nghỉ hưu của Không lực Hoa Kỳ, chúng có thể đẩy một cánh buồm Mặt Trời vút đi trong không gian. Nordley cho biết: “Với một binh đoàn tàu không gian, mỗi chiếc chỉ nhỏ như cái đinh ghim, bay thành đoàn và giao tiếp được với nhau, ta có thể đẩy chúng vút đi nhanh như chớp.”

Nhưng tàu liên sao nano cũng gặp nhiều thách thức. Chúng có thể bị lệch hướng khi đi qua khu vực có điện trường và từ trường trong không gian. Để thắng được các tác động đó, chúng ta cần gia tốc tàu nano đến điện áp rất lớn trên Trái Đất trước khi phóng đi, để chúng không bị lệch hướng dễ dàng. Thứ hai, chúng ta sẽ phải gửi đi hàng triệu tàu liên sao nano để đảm bảo vẫn còn một nhóm nhỏ cuối cùng sẽ đến được mục tiêu. Việc phóng cả một đội tàu nano để khám phá các ngôi sao gần nhất nghe có vẽ lãng phí, nhưng chúng rất rẻ và có thể sản xuất hàng loạt đến hàng tỷ chiếc, hơn nữa cũng chỉ cần một phần nhỏ trong số chúng đến được đích cuối cùng.

Vậy các tàu nano trông ra sao? Dan Goldin, cựu lãnh đạo NASA, đã mường tượng về một đội tàu không gian to cỡ lon Coca. Những người khác thì nói tàu nano chỉ nhỏ như chiếc kim khâu. Lầu Năm Góc đã và đang xem xét khả năng phát triển “bụi thông minh” — các thiết bị chỉ nhỏ như hạt bụi, mang các cảm biến li ti và có thể được phóng vào một trận đánh để cung cấp thông tin thời gian thực cho các chỉ huy. Trong tương lai, “bụi thông minh” có nhiều khả năng được gửi đến các ngôi sao kế cận.

Theo hình dung, các nanobot cỡ hạt bụi sẽ mang các mạch điện được tạo nên bằng kỹ thuật khắc trong công nghệ bán dẫn; công nghệ này có thể tạo ra các chi tiết có kích cỡ 30 nm, tương đương khoảng 150 nguyên tử. Các nanobot có thể được phóng đi từ Mặt Trăng bằng súng điện từ hay thậm chí là các máy gia tốc hạt — cỗ máy thường được sử dụng để đẩy các hạt hạ nguyên tử lên đến tốc độ gần bằng tốc độ ánh sáng. Do có giá rẻ nên chúng ta có thể phóng hàng triệu nanobot như vậy vào không gian.

Khi đã đến được một hệ sao gần chúng ta, các nanobot có thể đáp xuống một mặt trăng hoang vắng nào đó. Vì lực hấp dẫn trên mặt trăng này nhỏ nên nanobot có thể đáp xuống hoặc phóng đi dễ dàng. Đồng thời, với môi trường ổn định của mặt trăng, nó có thể cung cấp một căn cứ lý tưởng để hoạt động. Các nanobot có thể xây dựng một nhà máy nano, sử dụng các khoáng vật được tìm thấy trên mặt trăng để tạo ra một trạm phát sóng vô tuyến mạnh có thể truyền thông tin về Trái Đất. Hoặc nhà máy nano này có thể được thiết kế để tạo ra hàng triệu bản sao của chính nó để khám phá hệ mặt trời đó và lặp lại quá trình thám hiểm tương tự ở các ngôi sao kế cận khác. Vì những con tàu này là robot nên chúng sẽ không cần đến một chuyến viễn du về nhà, mà chỉ cần truyền thông tin ngược về thông qua sóng vô tuyến.

Các nanobot mà tôi đã mô tả đôi khi được gọi là máy thám dò von Neumann, đặt theo tên nhà toán học trứ danh John von Neumann — người đã xây dựng phương trình toán học cho các cỗ máy tự nhân bản Turing. Về nguyên tắc, tàu không gian nanobot tự nhân bản như vậy có thể khám phá toàn bộ thiên hà chứ không chỉ giới hạn trong những ngôi sao gần chúng ta. Cuối cùng, chúng có thể tạo nên một làn sóng xâm thực lan rộng theo hình cầu gồm hàng tỷ tỷ nanobot, với kích thước tăng nhanh theo hàm mũ và mở rộng với tốc độ gần bằng tốc độ ánh sáng. Các nanobot bên trong hình cầu ngày càng mở rộng này có thể xâm chiếm toàn bộ thiên hà chỉ trong vài trăm nghìn năm.

Kỹ sư điện Brian Gilchrist ở Đại học Michigan đã nắm bắt nghiêm túc ý tưởng về các tàu không gian nano. Ông đã nhận một khoản tài trợ 500.000 đô-la từ Viện Nghiên cứu các Khái niệm Tân tiến của NASA để khám phá ý tưởng chế tạo các tàu nano có động cơ không lớn hơn một con vi khuẩn. Gilchrist hình dung việc tạo ra một đạo quân vài triệu tàu nano bằng công nghệ khắc bán dẫn; các tàu này có thể tự đẩy bằng cách phụt ra các hạt nano li ti chỉ có kích thước khoảng vài chục nanômét. Các hạt nano đó có thể nạp năng lượng bằng cách chạy qua một điện trường, giống như trong một động cơ ion. Vì mỗi hạt nano nặng hơn một ion cả vài nghìn lần nên các động cơ loại này có thể tích trữ lực đẩy lớn hơn nhiều so với động cơ ion thông thường. Như vậy, các động cơ của tàu nano có chung các lợi thế với động cơ ion nhưng lại có lực đẩy lớn hơn nhiều. Hiện Gilchrist đã bắt đầu khắc một số phần cho các tàu nano đó. Ông đã gắn 10.000 bộ đẩy độc lập lên một con chip bán dẫn duy nhất chỉ rộng một centimet. Bước đầu, ông mong muốn gửi đội quân tàu nano của mình xuyên qua Hệ Mật Trời để kiểm tra hiệu quả của chúng. Cuối cùng, những tàu nano đó có thể là một phần của đội quân đầu tiên đến được các ngôi sao.

Đề xuất của Gilchrist là một trong những kế hoạch cho tương lai được NASA xem xét. Sau vài thập kỷ trì trệ, gần đây NASA đã cân nhắc nghiêm túc về các đề xuất khác nhau đối với việc du hành liên sao, trải rộng từ đáng tin đến mức không tưởng. Kể từ đầu những năm 1990, NASA đã tổ chức Hội thảo thường niên về các Nghiên cứu tân tiến liên quan đến Sức đẩy trong Không gian, nơi các công nghệ về lĩnh vực này được các nhóm kỹ sư và nhà vật lý chọn lựa nghiêm túc. Tham vọng hơn nữa là chương trình Đột phá Vật lý về Lực đẩy, khám phá mối liên hệ giữa thế giới vật lý lượng tử diệu kỳ và du hành liên sao. Tuy chưa nhận được sự đồng thuận rộng rãi, nhiều hoạt động của họ tập trung vào một số công nghệ đẩy triển vọng: những cánh buồm sử dụng lực đẩy bằng chùm tia laser và nhiều kiểu tên lửa dùng nhiên liệu nhiệt hạch.

Với những tiến bộ tuy chậm nhưng chắc chắn trong việc thiết kế tàu không gian, chúng ta có lý do để khẳng định rằng việc phóng tàu thăm dò không người lái đầu tiên để đến những ngôi sao kế cận Mặt Trời có thể sẽ diễn ra vào cuối thế kỷ này hoặc đầu thế kỷ tới, nên chúng được xếp vào nhóm Bất khả thi loại I.

Nhưng có lẽ kiểu thiết kế tàu liên sao mạnh mẽ nhất sẽ gắn liền với việc sử dụng phản vật chất. Dù nghe như khoa học viễn tưởng nhưng phản vật chất đã được tạo ra trên Trái Đất và có lẽ một ngày nào đó, nó sẽ mang lại giải pháp hứa hẹn nhất cho việc vận hành một tàu liên sao có người lái.