Phác thảo một dự án thang vũ trụ
Ý tưởng chế tạo thang máy vũ trụ vận hành trên một hệ thống dây cáp neo cứng dưới đất nối liền với một trạm vệ tinh địa tĩnh đã được nói đến từ nhiều năm nay. Các nhà khoa học thế giới, kể cả một số cơ quan nhà nước như NASA (Cơ quan Quản trị Hàng không vũ trụ Mỹ), tỏ ra rất quan tâm với ý tưởng này.
Tuy nhiên, các nhà khoa học Nhật Bản có lẽ là những người tiên phong trong việc biến ý tưởng viển vông này thành một dự án khoa học cụ thể. Theo nhật báo Anh The Times, hồi đầu tuần qua, các nhà khoa học Nhật Bản đã chính thức thông báo thành lập Hội Thang máy vũ trụ Nhật Bản (JSEA) và dự kiến sẽ tổ chức một hội nghị quốc tế vào tháng 11 này, mời các nhà khoa học, kỹ sư và nhà nghiên cứu đến dự và vạch ra một lộ trình thực hiện cụ thể.
Cứng hơn thép 180 lần
Con người trong nhiều thập niên qua chinh phục vũ trụ bằng những phương tiện đầy rủi ro và tốn kém vô cùng: Phóng tên lửa chở tàu vũ trụ lên quỹ đạo trái đất và xa hơn. Nhiều phi hành gia đã bỏ mạng trong những chuyến bay mạo hiểm đó. Thế kỷ 21 có thể sẽ chứng kiến một phương tiện khác an toàn và tiết kiệm hơn mà vẫn mang lại hiệu quả như ý.
Đối với các nhà hóa học, vật lý, khoa học vật liệu, phi hành gia và những người mơ mộng trên toàn thế giới, thách thức lớn nhất là làm thế nào chế tạo được một loại cáp vừa cứng vừa nhẹ hơn bất cứ loại nào hiện có để vận hành một chiếc thang máy vũ trụ. Nó cũng phải có độ đàn hồi thích hợp để chống lại những cú va đập trong không gian.
Thách thức thứ hai là tạo ra độ căng cần thiết và an toàn – lực ly tâm của trái đất thôi chưa đủ - khi nối cáp từ mặt đất đến vệ tinh đang bay trên trời để một chiếc thang máy có thể lướt trên đó nhẹ nhàng và nhanh chóng. Dự trù hệ thống cáp đỡ thang máy vũ trụ sẽ có độ dài tổng cộng 35.000 km.
Theo giáo sư Yoshio Aoki, giảng dạy môn cơ khí chính xác tại Trường Đại học Nihon kiêm giám đốc JSEA, có thể chế tạo loại cáp đặc biệt đó bằng những hạt nano ống carbon, vốn là những phân tử cực nhỏ có thể bện thành sợi. Hiện nay việc sản xuất đại trà sợi này đang được các công ty dệt may lớn của Nhật tập trung nghiên cứu.
Hạt nano ống carbon do nhà khoa học Nhật Sumio Iijima thuộc Trường Đại học Meiji, thành phố Nagoya, phát hiện một cách tình cờ năm 1991 khi ông nạp điện vào muội than. Đây là hạt có cấu trúc nguyên tử hình ống cứng cáp có chiều ngang chưa đến 2 phần tỉ mét và chiều dài không cố định. Những hạt này có thể bện vào nhau thành một vật liệu cực mỏng, nhỏ bằng sợi chỉ nhưng có thể kéo phăng một chiếc xe tải.
Ông Aoki cho biết thêm sợi cáp phải cứng hơn thép 180 lần đồng thời có độ đàn hồi thích hợp. Trong vòng 5 năm qua, người ta – cụ thể là các nhà khoa học Anh ở Cambridge - đã chế tạo được một sợi cáp nano ống carbon cứng hơn thép gần 100 lần. Do đó có thể nói, với đà tiến bộ của công nghệ nano ống carbon - việc chế tạo một sợi cáp đáp ứng yêu cầu vừa kể nằm trong tầm tay các nhà khoa học.
Cuối cùng là làm cách nào để “phóng” thang vũ trụ bay lên trời với một vận tốc thích hợp. Giáo sư Aoki tỏ vẻ lạc quan: “Chúng tôi sẽ dùng công nghệ đã áp dụng thành công ở tàu lửa cao tốc. Nano ống carbon là chất dẫn điện rất tốt. Chỉ cần một sợi cáp thứ hai cung cấp điện cho thang máy trong suốt quá trình lên trời”.
20-30 năm nữa
Một trong những lợi ích lớn nhất của việc du hành vũ trụ bằng thang máy thay vì bằng tàu con thoi là chi phí rất thấp. Vì không cần đến hàng tấn nhiên liệu để vượt qua lực hấp dẫn, thang máy vũ trụ chỉ cần 1% năng lượng đó để bay lên vũ trụ.
Khi hoàn thành, thang máy vũ trụ có thể chở người và hàng hóa. Nó cũng có thể dùng trong các dự án mang tính đột phá như chở máy phát điện dùng năng lượng mặt trời để cung cấp điện cho các hoạt động ở mặt đất, thậm chí chở các thùng chứa chất thải phóng xạ đem “chôn” trong vũ trụ bao la khi trái đất không còn chỗ chứa.
Liệu dự án của JSEA có khả thi? Theo tờ Times, Nhật là nước đứng đầu thế giới về công nghệ chính xác và sản xuất các vật liệu chất lượng cao. Nhật đã chế tạo được người máy giúp việc, xe hơi chạy bằng nước, chó phiên dịch, giày tên lửa... thì rất có thể biến chuyện khoa học viễn tưởng “bắc thang lên trời” thành sự thật. Vấn đề là họ cần thời gian, có thể là 20 hoặc 30 năm.
|
Một ý tưởng trên trăm tuổi
Người đưa ra ý niệm đầu tiên về thang máy vũ trụ là nhà khoa học Nga Konstantin Tsiolkovsky. Năm 1895, lấy cảm hứng từ tháp Eiffel lừng danh của Pháp, ông đề xuất xây dựng một tòa tháp chọc thẳng lên trời với chiều cao 35.790 km so với mặt biển. Từ đỉnh tháp có thể phóng những vật thể vào khoảng không vũ trụ mà không cần tên lửa. Rất tiếc không có loại vật liệu nào chịu nổi trọng lượng khổng lồ của một tòa tháp cao như thế.
Năm 1959, một nhà khoa học Nga khác tên Yuri N. Artsutanov đề xuất dùng một loại cáp nối liền với vệ tinh địa tĩnh có mặt cắt nhỏ trên mặt đất nhưng càng lên cao càng to ra để có độ căng cần thiết. Nhưng chế tạo một sợi cáp dài 35.000 km là chuyện không dễ.
Năm 1966, 4 kỹ sư Mỹ Issacs, Vine, Bradner và Bachus đăng tải một công trình phân tích trên tạp chí Science, theo đó xác định loại vật liệu chế tạo cáp phải cứng hơn gấp đôi các thứ cứng nhất như graphit, thạch anh và kể cả kim cương. Dây cáp sẽ có đường kính giống nhau từ gốc đến ngọn.
Năm 1975, Jerome Pearson, một nhà khoa học Mỹ, lại nêu ra một ý tưởng khác về độ dày sợi cáp. Trái với đề xuất của Artsutanov, sợi cáp của Pearson sẽ có “đầu to, đít teo”. Gây ấn tượng nhất là vào năm 1979, nhà văn Anh Arthur C. Clarke chuyên viết tiểu thuyết khoa học viễn tưởng, mô tả trong cuốn The Fountains of Paradise (Suối nguồn thiên đàng) các kỹ sư xây dựng một chiếc thang máy vũ trụ đặt trên đỉnh một ngọn núi gần giống như ý tưởng hiện đại.
Sau khi công nghệ nano ống carbon phát triển trong những năm 1990, nhà khoa học Mỹ Bradley C. Edwards đề xuất một dải ru-băng mỏng dài 100.000 km dệt bằng sợi nano ống carbon, một cấu trúc có thể chịu được những cú va đập của thiên thạch. Chiếc thang máy vũ trụ sẽ trượt trên đó lên trạm không gian quốc tế, chẳng hạn, trong vòng 3 giờ. Điều đáng nói là NASA bảo trợ ý tưởng này. Trở ngại lớn nhất cho ý tưởng này là giới hạn về kỹ thuật chế tạo chất liệu. |