Tóm tắt trong năm phút
Hội chứng Kessler là một kịch bản trong đó các va chạm trên quỹ đạo Trái Đất tạo ra quá nhiều mảnh vỡ, đến mức chính chúng lại gây thêm va chạm, hết lần này đến lần khác, nhanh hơn tốc độ tự làm sạch của tự nhiên. Mỗi vụ va chạm sinh ra các mảnh vụn, và mỗi mảnh vụn là một viên đạn mới. Khi vòng lặp này đã chạy, nó tự nuôi chính mình.
Ý tưởng bắt nguồn từ một bài báo năm 1978 của hai nhà khoa học NASA là Donald Kessler và Burton Cour-Palais, có tựa đề “Collision Frequency of Artificial Satellites: The Creation of a Debris Belt”. Họ tính toán rằng khi số vật thể trên quỹ đạo đủ nhiều, va chạm giữa chúng có thể trở thành nguồn rác mới chính, vượt xa lượng rác do các vụ phóng mới thêm vào. Cái tên “hội chứng Kessler” do những người khác đặt sau này. Chính Kessler nhấn mạnh rằng đây sẽ là một quá trình chậm, không phải một ngày kịch tính duy nhất.
Chuyện này quan trọng vì đời sống hiện đại dựa vào vệ tinh. Định vị, dữ liệu thời tiết, truyền hình và liên lạc đều phụ thuộc vào chúng. Một quỹ đạo bị ô nhiễm nặng sẽ khiến việc phóng và vận hành vệ tinh ở đó rủi ro và tốn kém hơn.
Phản ứng dây chuyền hoạt động thế nào
Hãy bắt đầu từ tốc độ. Một vật thể ở quỹ đạo thấp quanh Trái Đất, vùng dưới khoảng 2.000 km, di chuyển với tốc độ khoảng 7 đến 8 km/giây. Hai vật thể gặp nhau theo một góc có thể áp sát nhau với tốc độ hơn 10 km/giây. Ở tốc độ đó, năng lượng là cực lớn. Một mẩu kim loại nhỏ cũng có thể xuyên thủng lớp giáp bảo vệ tàu vũ trụ, và ngay cả một mảnh sơn li ti cũng từng làm sứt một ô cửa sổ của tàu con thoi năm 1983.
Tiếp theo, hãy xem một vụ va chạm gây ra điều gì. Vệ tinh không nảy ra khỏi nhau như hai quả bóng. Cả hai vỡ thành vô số mảnh bay theo nhiều hướng và rơi vào các quỹ đạo khác nhau. Phần lớn các mảnh này quá nhỏ để theo dõi từ mặt đất, nhưng vẫn đủ lớn để phá hỏng một vệ tinh đang hoạt động.
Cuối cùng là yếu tố thời gian. Lớp khí loãng ở rìa không gian tạo lực cản lên các vật thể trên quỹ đạo, từ từ kéo chúng xuống cho đến khi cháy rụi. Ở thấp, dưới khoảng 500 km, rác thường rơi trở lại sau vài năm. Càng lên cao, không khí càng loãng. Từ 800 km trở lên, các mảnh có thể tồn tại hàng thập kỷ, thậm chí hàng thế kỷ. Vì vậy độ cao của vụ va chạm quan trọng không kém quy mô của nó.
Kết hợp cả ba yếu tố, ta có một vòng phản hồi. Nhiều rác hơn làm tăng khả năng va chạm. Va chạm tạo ra thêm rác. Và ở độ cao lớn, rác không rời đi. Các nghiên cứu mô hình hóa về sau, trong đó có công trình tại NASA, cho thấy một số tầng quỹ đạo đông đúc có thể tiếp tục tăng lượng rác chỉ nhờ va chạm, kể cả khi không phóng thêm vệ tinh nào.
Khoa học thật: điều gì đã đo được, điều gì chỉ là dự báo
Một số phần của câu chuyện là số liệu đo đạc vững chắc.
- Các cơ quan vũ trụ theo dõi hàng chục nghìn vật thể lớn hơn khoảng 10 cm và duy trì danh mục công khai cho nhiều vật thể trong số đó.
- Các mô hình của ESA ước tính có khoảng một triệu mảnh cỡ 1 đến 10 cm, và hơn một trăm triệu mảnh nhỏ hơn 1 cm. Đây là các ước tính thống kê, vì phần lớn mảnh quá nhỏ để thấy từ mặt đất.
- Các vụ va chạm thật và các vụ phá hủy có chủ đích đã thêm hàng nghìn mảnh vỡ được theo dõi. Hiện nay vệ tinh thường xuyên phải cơ động tránh rác.
Những phần khác là dự báo. Việc một chuỗi va chạm mất kiểm soát có xảy ra hay không, ở quỹ đạo nào và nhanh đến đâu, phụ thuộc vào các giả định về số vụ phóng trong tương lai, số vệ tinh hỏng và khả năng loại bỏ thiết bị cũ. Các mô hình của NASA và ESA nhìn chung đồng ý rằng nếu không xử lý tốt vệ tinh hết hạn, số vật thể sẽ tiếp tục tăng và va chạm sẽ dễ xảy ra hơn. Không mô hình nào đưa ra mốc thời gian cho điểm bùng phát, và bạn nên dè chừng với bất kỳ ai tuyên bố có.
Ba sự kiện khiến nguy cơ trở nên có thật
2007: một vụ thử tên lửa. Tháng 1 năm 2007, Trung Quốc dùng tên lửa phá hủy vệ tinh thời tiết cũ Fengyun-1C ở độ cao khoảng 860 km. Vụ thử tạo ra hơn 3.000 mảnh vỡ được theo dõi. Vì quỹ đạo cao, một phần lớn trong số đó vẫn còn bay vòng quanh nhiều năm sau. Đây vẫn là một trong những sự kiện tạo ra nhiều rác nhất trong lịch sử.
2009: một vụ va chạm ngoài ý muốn. Ngày 10 tháng 2 năm 2009, vệ tinh liên lạc Iridium 33 của Mỹ đang hoạt động đã va vào Cosmos 2251, một vệ tinh Nga đã ngừng hoạt động, cách mặt đất khoảng 790 km phía trên Siberia. Đó là vụ va chạm ngẫu nhiên đầu tiên giữa hai vệ tinh còn nguyên vẹn, và nó tạo ra hơn một nghìn mảnh được theo dõi.
2021: thêm một vụ thử tên lửa. Tháng 11 năm 2021, Nga phá hủy vệ tinh đã ngừng hoạt động Cosmos 1408 ở độ cao khoảng 480 km. Hơn 1.500 mảnh vỡ được theo dõi. Phi hành đoàn Trạm vũ trụ quốc tế (ISS) đã phải trú ẩn trong tàu đang ghép nối một thời gian. Vì quỹ đạo thấp hơn nhiều, các mảnh vỡ rơi nhanh hơn, cho thấy độ cao làm thay đổi mức thiệt hại lâu dài như thế nào.
Hội chứng Kessler trong hư cấu
Các nhà văn rất mê hội chứng Kessler vì nó vừa đáng sợ vừa lặng lẽ: kẻ phản diện là một đám mây những vật nhỏ bé. Bộ manga Planetes của Makoto Yukimura kể về một nhóm người thập niên 2070 có công việc thu gom rác quỹ đạo. Truyện coi rác không gian là vấn đề thường nhật nơi công sở, khá gần với cách các kỹ sư thật nói về nó. Bộ phim Gravity (2013) mở đầu bằng cảnh mảnh vỡ tấn công phi hành đoàn tàu con thoi. Phim rất cuốn hút, dù đã dồn nhiều tàu vũ trụ vào cùng một quỹ đạo, điều mà tàu thật không làm.
Ý tưởng này cũng góp vào truyền thống rộng hơn được nhắc đến trong bài hướng dẫn về lịch sử khoa học viễn tưởng, nơi tương lai thường đến như hệ quả ngoài ý muốn của những gì chúng ta đã tạo ra.
Những hiểu lầm phổ biến
- “Đó là một sự kiện bất ngờ nhốt chúng ta trên Trái Đất.” Không. Chuỗi va chạm sẽ diễn ra dần dần, và ảnh hưởng một số độ cao nhiều hơn hẳn những độ cao khác.
- “Nó đã xảy ra rồi.” Chưa theo nghĩa mất kiểm soát. Quỹ đạo giờ đông đúc và nguy hiểm hơn trước, nhưng ISS, vệ tinh thời tiết và hàng nghìn vệ tinh khác vẫn hoạt động, với các cú cơ động tránh va chạm thường xuyên.
- “Không gian là bãi mìn đầy những đám mây rác.” Không gian rất rộng lớn. Với từng vệ tinh, khả năng bị va trúng là nhỏ. Nguy hiểm đến từ việc cộng dồn nhiều rủi ro nhỏ qua nhiều năm.
- “Rác sẽ chặn đường lên vũ trụ mãi mãi.” Các quỹ đạo thấp tự làm sạch theo thời gian, còn một số quỹ đạo cao có thể không dùng được trong rất lâu. Tên lửa vẫn có thể rời Trái Đất, băng qua vành đai rác rất nhanh.
Con người đang làm gì
Biện pháp phòng vệ chính là không tạo thêm rác. Từ lâu, hướng dẫn quốc tế của Ủy ban điều phối rác thải vũ trụ liên cơ quan (IADC) đã đề nghị các nhà vận hành đưa vệ tinh ra khỏi quỹ đạo thấp trong vòng 25 năm sau khi kết thúc sứ mệnh. Năm 2022, Ủy ban Truyền thông Liên bang Mỹ (FCC) thông qua quy tắc chặt hơn là năm năm đối với các vệ tinh quỹ đạo thấp mà cơ quan này cấp phép. Các mạng lưới theo dõi cảnh báo nhà vận hành về những lần tiếp cận gần để họ kịp tránh.
Phần khó hơn là dọn những gì đã có sẵn. Năm 2021, công ty Astroscale phóng ELSA-d, một thử nghiệm ghép nối với mục tiêu trên quỹ đạo. Năm 2024, sứ mệnh ADRAS-J của họ, phối hợp với cơ quan vũ trụ Nhật Bản JAXA, đã tiếp cận một tầng tên lửa Nhật đã hết nhiệm vụ và quan sát nó ở cự ly gần. Đây mới chỉ là các màn trình diễn ban đầu, và việc loại bỏ các vật thể lớn đã chết vẫn còn rất tốn kém.
Đọc tiếp
- Thang máy vũ trụ: một sợi cáp xuyên qua những quỹ đạo đông đúc nhất sẽ phải chịu được cùng vấn đề rác này.
- Lịch sử khoa học viễn tưởng: xem những câu chuyện thảm họa quỹ đạo nằm ở đâu trong thể loại rộng lớn này.
