Thang máy kết nối Trái Đất với vũ trụ?

Thiết kế thang máy vũ trụ

So với tên lửa, thang máy vũ trụ sẽ là cách rẻ hơn, nhanh hơn để đưa hàng hóa và con người ra khỏi Trái Đất. Đó là vì quá trình phóng tên lửa là một trong những phần khó nhất và tốn kém nhất khi di chuyển ra ngoài vũ trụ. Tính trung bình, để đưa hàng từ bề mặt Trái Đất vào vũ trụ, người ta tốn khoảng 20.000 USD/kg. Từ khi chương trình tàu con thoi vũ trụ của Cơ quan Hàng không Vũ trụ Mỹ (NASA) chấm dứt năm 2011, các công ty tư nhân đã làm dịch vụ đưa hàng hóa vào Trạm Không gian Vũ trụ.

Theo ông Tyler Harris, kỹ sư tại Phòng thí nghiệm Quốc gia Tây Bắc Thái Bình Dương, thang máy vũ trụ sẽ là nhân tố thay đổi cuộc chơi xét về mặt kinh tế trong ngành vũ trụ. Một số ước tính cho thấy thang máy thiết kế tốt sẽ giảm chi phí vận chuyển hàng hóa còn 100 USD/kg, chỉ bằng 5% so với chi phí hiện nay.

Minh họa thang máy vũ trụ nhìn từ trạm trung chuyển địa tĩnh học xuống Trái Đất.

Ông Harris cho biết sau khi đánh giá cả ba thiết kế thang máy vũ trụ gần đây, ông phát hiện ra rằng cả ba thiết kế đều bền vững với môi trường và khả thi về mặt kinh tế.

Thiết kế cơ bản của thang máy vũ trụ sẽ gồm dây cáp có thể kéo dài từ một chỗ neo chặt trên mặt đất tới một điểm đối trọng trong vũ trụ. Xe hạng nặng có thể đi lên đi xuống theo đường cáp. Thang máy sẽ mang hàng hóa tới quỹ đạo địa tĩnh học, vượt qua khu vực mà trọng lực Trái Đất lớn nhất.

Lực ly tâm khi Trái Đất quay sẽ giúp giữ ổn định đường cáp. Để dễ hình dung, ta có thể so sánh với một sợi dây. Khi ta cầm một đầu sợi dây còn đầu kia buộc vào một hòn đá và quăng dây theo hình tròn, lực ly tâm chính là lực đẩy hòn đá ra phía ngoài và khiến sợi dây căng hết sức. Trong trường hợp thang máy vũ trụ, đường cáp sẽ như sợi dây đó và đối trọng sẽ giống như hòn đá.

Chi phí xây dựng thang máy vũ trụ là từ 1 đến 90 tỷ USD do Tập đoàn Obayashi ở Nhật Bản ước tính. Công ty này muốn làm thang máy vũ trụ vào năm 2050. Obayashi cho rằng sẽ mất 20 năm để xây dựng đường dây cáp từ một căn cứ rộng 400m dưới nước. Công ty này cho rằng thang máy vũ trụ sẽ có thể mang được phương tiện 100 tấn rời Trái Đất.

Viện hàn lâm Công nghệ Phương tiện phóng Trung Quốc dự định xây dựng thang máy vũ trụ vào năm 2045 mặc dù chưa công bố chi tiết về kế hoạch. NASA cũng đã tài trợ nghiên cứu về thang máy vũ trụ nhưng chưa bao giờ thông báo ý định xây.

Trong khi đó, Cơ quan Thăm dò Hàng không Vũ trụ Nhật Bản (JAXA) đã thực hiện một phiên bản mini thang máy vũ trụ vào tháng 9-2018 để xem thang máy phản ứng thế nào với môi trường trong vũ trụ. Thiết bị này tên là Vệ tinh Robot Tự động buộc vào vũ trụ - Thang máy mini (STARS-ME) do các nhà nghiên cứu tại Đại học Shizuoka thiết kế. Thiết bị có hai vệ tinh CubeSta. Mỗi chiếc đều có thể liên lạc với mặt đất. Hai chiếc có dây cáp dài 14m nối với nhau. Thiết bị trên được ra mắt thành công, nhưng các nhà nghiên cứu gặp khó khăn trong liên lạc với một CubeSat. Họ vẫn chưa xác định được phương tiện có đi lên đi xuống cáp thành công hay không. Nhóm nghiên cứu Nhật Bản này cũng định thực hiện một phiên bản thang máy vũ trụ to hơn.

Trở ngại lớn

Phần khó khăn nhất khi xây thang máy vũ trụ là tìm đúng vật liệu làm dây cáp. Dây cáp sẽ phải chịu đựng thời tiết trong khí quyển Trái Đất, bức xạ từ Mặt Trời và tác động của các thiên thạch, mảnh vỡ. Nhiều người cho rằng ống nano carbon có thể phù hợp. Chiều rộng của ống carbon rỗng này chỉ tính bằng nanomet nhưng nó cứng hơn thép 100 lần. Vấn đề là những sợi nano carbon này hiện chỉ dài vài mét là hết cỡ. Chưa ai có thể làm sợi dây nào đủ dài cho chiếc thang máy vũ trụ kéo dài ít nhất 35.400km.

Một trở ngại nữa khiến thang máy vũ trụ khó thực hiện là mảnh vỡ trong vũ trụ. Cơ quan Vũ trụ châu Âu ước tính có 128 triệu vật thể nhỏ hơn 1cm và 90.000 vật thể có kích thước từ 1-10cm đang quay quanh quỹ đạo Trái Đất. Thang máy vũ trụ sẽ va chạm với các vật thể này và sẽ không thể chịu được.

Tuy nhiên, Mặt Trăng không phải đối mặt với các loại mảnh vỡ đó và trọng lực trên Mặt Trăng nhỏ hơn nên có nhiều vật liệu có thể chịu đựng trọng lượng của chúng. Vì thế, một số nhà nghiên cứu cho rằng Mặt Trăng sẽ là nơi tốt hơn để bắt đầu làm thang máy vũ trụ

Thang máy trên Mặt Trăng có thể khiến các sứ mệnh hạ cánh tại đây dễ dàng hơn nhiều và giúp thiết lập một căn cứu lâu dài trên đó. Các sứ mệnh trong tương lai có thể tham vọng hơn thay vì chỉ loanh quanh khám phá Mặt Trăng. Khác với thang máy vũ trụ vươn lên từ Trái Đất, thang máy trên Mặt Trăng sẽ không dùng lực ly tâm. Trọng lực sẽ giúp mọi thứ dễ dàng hơn.

Tại công ty LiftPort, ông Laine cũng đang nghiên cứu ý tưởng thang máy trên Mặt Trăng. Về vật liệu làm dây cáp, ông đang nghiên cứu Dyneema - một loại sợi nhựa polyethylene bền hơn thép 15 lần. Tuy nhiên, Dyneema không phải vật liệu phù hợp hoàn hảo vì nó không chịu được phóng xạ tốt như ông Laine mong muốn. LiftPort cũng thí nghiệm cả với Kevlar và ống nano carbon.

Một phân tích tính toán rằng chỉ với 53 lần sử dụng thang máy trên Mặt Trăng là đã thu đủ tiền bù vào chi phí xây dựng. Vì với thang máy này, chi phí hạ cánh trên Mặt Trăng có thể giảm ít nhất 2/3 và chi phí cho các sứ mệnh quay trở về Trái Đất cũng giảm ít nhất 9 lần.

Dù vậy, hiện giờ thang máy vũ trụ vẫn chỉ là lý thuyết. Nhóm nghiên cứu ở LiftPort cần nghiên cứu tác động đối với hàng hóa khi nhiệt độ thay đổi nhanh chóng trong quá trình được vận chuyển bằng thang máy vũ trụ. Cũng cần xác định cách bảo vệ hàng hóa khỏi bức xạ Mặt Trời và cách giúp dây cáp có thể chịu được thay đổi khí quyển. Đó là chưa kể tới rất nhiều công việc hậu cần phức tạp cần nghiên cứu khi xây một thang máy khổng lồ như vậy.

Nhưng nếu thang máy vũ trụ thành hiện thực, con người có thể tiếp cận nguồn lực trong vũ trụ. Các hành tinh nhỏ có thể là một kho báu vì chúng chứa rất nhiều thứ quý giá như vàng, bạch kim và sắt. Khai mỏ trên các hành tinh nhỏ này có thể giúp con người không cần đào bới các kim loại này từ Trái Đất.

Thùy Dương