Trong hơn một thế kỷ qua, nguyên lý đẩy của tên lửa vẫn theo một quy tắc đơn giản: đốt cháy nhiên liệu, phụt nó ra phía sau, và định luật thứ ba của Newton sẽ đẩy bạn về phía trước. Kể từ khi Konstantin Tsiolkovsky lần đầu tiên đưa ra phương trình tên lửa vào năm 1903, các tàu không gian luôn phải mang theo chất đẩy của mình, điều này giới hạn khả năng của các nhiệm vụ bởi tỷ lệ khối lượng. Càng mang theo nhiều nhiên liệu, tên lửa càng nặng, đòi hỏi càng nhiều nhiên liệu hơn để nâng chính lượng nhiên liệu đó lên. Đó là một vòng luẩn quẩn khiến việc du hành giữa các vì sao dường như trở nên xa vời không tưởng. Nhưng điều gì sẽ xảy ra nếu tàu không gian không cần mang theo chất đẩy?
Đó chính là khả năng đầy hấp dẫn được khám phá trong một phân tích toàn diện mới, đánh giá các phương pháp đẩy không dùng chất đẩy cho việc thám hiểm không gian. Những hệ thống này khai thác các lực tự nhiên và nguồn năng lượng bên ngoài thay vì dùng phản ứng hóa học, mở ra tiềm năng cho các nhiệm vụ hoàn toàn bất khả thi với tên lửa truyền thống.
Phương pháp đơn giản nhất không dùng chất đẩy đã được sử dụng để điều khiển tàu không gian trong nhiều thập kỷ qua: trợ lực hấp dẫn (gravity assist). Bằng cách tính toán chính xác thời điểm tiếp cận gần một hành tinh, các kỹ sư có thể “đánh cắp” một phần rất nhỏ động lượng quỹ đạo của hành tinh đó, phóng tàu không gian đi với tốc độ cao hơn mà không cần đốt nhiên liệu. Các tàu thăm dò Voyager đã sử dụng kỹ thuật này để ghé thăm cả bốn hành tinh phía ngoài của Hệ Mặt Trời. Phương pháp này hoạt động rất hiệu quả, nhưng đòi hỏi các hành tinh phải nằm đúng vị trí cần thiết, khiến cơ hội phóng rất hiếm và quỹ đạo bay không linh hoạt.
Tàu Voyager đã sử dụng thành công trợ lực hấp dẫn để du hành qua các hành tinh nhóm ngoài (Nguồn: NASA/JPL).
Buồm Mặt Trời (solar sail) cung cấp lực đẩy liên tục và thuận tiện hơn bằng cách khai thác áp suất bức xạ từ ánh sáng Mặt Trời. Những màng khổng lồ này phản xạ các photon để tạo ra lực đẩy, tăng tốc chậm rãi nhưng đều đặn mà không cần dùng nhiên liệu. Tàu IKAROS của Nhật Bản đã chứng minh công nghệ này vào năm 2010, khi thành công trong hành trình đến Sao Kim chỉ bằng ánh sáng Mặt Trời. Tuy nhiên, buồm Mặt Trời đòi hỏi các vật liệu cực mỏng, rộng lớn phải tồn tại trong điều kiện khắc nghiệt của không gian trong nhiều năm, và hiệu suất của chúng giảm mạnh khi ra xa khỏi Mặt Trời.
Buồm từ (magnetic sail) tiếp cận theo cách khác, sử dụng các vòng siêu dẫn để tạo ra từ trường mạnh, làm lệch dòng gió Mặt Trời (luồng hạt tích điện không ngừng thổi ra từ Mặt Trời). Bằng cách đẩy vào luồng plasma này, cánh buồm từ tạo ra lực đẩy mà không cần tiêu tốn chất đẩy. Phương pháp này có tiềm năng tạo gia tốc tốt hơn buồm Mặt Trời và không bị suy giảm theo thời gian như các màng phản xạ. Vấn đề là, để tạo ra từ trường cần thiết, phải có các cuộn siêu dẫn khổng lồ (có thể có bán kính tới 50 km) được duy trì ở nhiệt độ siêu lạnh. Công nghệ để chế tạo và triển khai những cấu trúc như vậy hiện vẫn chưa tồn tại.
Vệ tinh IKAROS của Nhật Bản đã chứng minh thành công công nghệ buồm Mặt Trời (Nguồn: JAXA).
Buồm điện (electric sail) là một biến thể mới hơn, sử dụng các dây dẫn mang điện thay vì từ trường để đẩy các proton trong gió Mặt Trời. Hệ thống này hứa hẹn giúp tàu không gian nhẹ hơn so với buồm từ, dù cũng cần triển khai các sợi dây cực dài và nhẹ, đồng thời yêu cầu nguồn điện lớn để duy trì điện tích cần thiết.
Mỗi phương pháp đẩy không dùng chất đẩy đều có ưu điểm riêng nhưng cũng đối mặt với những thách thức kỹ thuật nhất định. Hỗ trợ hấp dẫn hoạt động hiệu quả hiện nay, nhưng cần sự sắp xếp hành tinh chính xác. Buồm Mặt Trời cung cấp lực đẩy ổn định, nhưng đòi hỏi các cấu trúc lớn và mỏng manh. Buồm từ và buồm điện tránh được sự xuống cấp vật liệu, nhưng lại phụ thuộc vào các công nghệ vẫn đang trong giai đoạn phát triển.
Phân tích tổng quan cho thấy không có phương pháp nào có thể giải quyết mọi vấn đề, nhưng khi kết hợp, các phương pháp này có thể thay đổi căn bản cách con người thám hiểm Hệ Mặt Trời và vượt xa hơn nữa. Đối với các nhiệm vụ tham vọng thực sự nhằm đến không gian liên sao, việc bỏ lại chất đẩy phía sau có lẽ không chỉ là một lợi thế, mà còn là điều kiện thiết yếu.
Bryan
Theo Universetoday
