Trong năm phút
Thang máy vũ trụ là một công trình được đề xuất: một sợi cáp neo xuống mặt đất ở xích đạo và vươn cao hơn nhiều so với quỹ đạo địa tĩnh, còn các phương tiện sẽ leo dọc theo cáp để lên không gian thay vì đi bằng tên lửa. Đây là một ý tưởng kỹ thuật có thật chứ không chỉ là mô-típ trong truyện, nhưng chưa có công trình nào như vậy được xây. Bài này thuộc chuyên đề Lịch sử khoa học viễn tưởng của chúng tôi.
Mấu chốt nằm ở chuyển động tự quay của Trái Đất. Ở độ cao khoảng 35.786 km phía trên xích đạo, một vệ tinh quay quanh hành tinh đúng một vòng mỗi ngày nên luôn nằm trên cùng một điểm dưới mặt đất. Đó là quỹ đạo địa tĩnh. Thả một sợi cáp từ độ cao ấy xuống thì cáp có thể đứng yên tại chỗ, được giữ bởi chính chuyển động quay đó. Thêm một đối trọng ở xa hơn để kéo căng sợi cáp, và ta có một con đường lên không gian.
Sức hấp dẫn của ý tưởng là chi phí thấp và sự êm ái. Tên lửa đốt một lượng nhiên liệu khổng lồ chỉ để nâng chính nhiên liệu của nó. Một cabin leo cáp sẽ dùng điện và đi lên đều đặn, nên giá đưa mỗi ki-lô-gam lên quỹ đạo có thể giảm mạnh. Cái khó là sợi cáp phải cực kỳ bền so với trọng lượng của nó.
Thang máy vũ trụ hoạt động thế nào
Hầu hết các thiết kế đều có bốn bộ phận.
- Điểm neo. Một đế đặt trên xích đạo, thường được hình dung là một nền tảng ở vùng biển lặng, để có thể di chuyển tránh bão.
- Sợi cáp. Một dải băng hoặc dây cáp rất dài, dày nhất gần độ cao địa tĩnh, nơi phải chịu tải nặng nhất, và mảnh dần về phía mặt đất.
- Các cabin leo. Phương tiện chạy điện bám vào sợi cáp, bò lên xuống để chở hàng hoặc người.
- Đối trọng. Một trạm hoặc một tiểu hành tinh bị bắt giữ, nằm ngoài quỹ đạo địa tĩnh. Lực kéo hướng ra ngoài của nó giữ cả sợi dây luôn căng.
Vì sao phải là xích đạo? Quỹ đạo địa tĩnh chỉ tồn tại phía trên xích đạo, và sợi cáp phải thả thẳng về phía tâm Trái Đất. Vậy tại sao cáp không rơi? Bên dưới độ cao địa tĩnh, lực hấp dẫn thắng thế và kéo cáp xuống. Bên trên độ cao đó, chuyển động quay lại có xu hướng ném mọi thứ ra ngoài. Sợi cáp bị kéo về cả hai phía và căng như dây đàn guitar.
Chuyến đi sẽ rất chậm. Một cabin chạy 200 km/giờ cần khoảng một tuần để lên tới độ cao địa tĩnh. Vì thế nhiều kế hoạch hình dung có các trạm dừng dọc đường, và ý tưởng này hợp với vận chuyển hàng hóa hơn là chuyến đi nhanh cho hành khách.
Hầu hết kế hoạch còn xây từ trên xuống. Một tàu vũ trụ sẽ mang sợi cáp mảnh đầu tiên tới quỹ đạo địa tĩnh rồi thả dần xuống mặt đất, sau đó các cabin leo sẽ bổ sung thêm từng lớp để cáp dày lên.
Lược sử của ý tưởng
Năm 1895, nhà khoa học người Nga Konstantin Tsiolkovsky, lấy cảm hứng từ tháp Eiffel, đã hình dung một tòa tháp vươn từ mặt đất lên tới độ cao quỹ đạo. Một tòa tháp cao như vậy sẽ bị chính trọng lượng của nó nghiền nát, nên ý tưởng chỉ dừng ở một thí nghiệm tưởng tượng.
Phiên bản hiện đại xuất hiện năm 1960, khi kỹ sư Yuri Artsutanov ở Leningrad mô tả việc thả một sợi cáp từ vệ tinh xuống Trái Đất. Vì cáp treo lơ lửng chứ không đứng chống lên, nó chịu kéo giãn thay vì chịu nén, và đó là cách tận dụng vật liệu tốt hơn nhiều. Ý tưởng của ông đăng trên một tờ báo Liên Xô và nhiều năm sau vẫn ít được biết đến ở phương Tây. Các nhà nghiên cứu ở Mỹ cũng đi đến những ý tưởng tương tự trong thập niên 1960 và 1970, trong đó có Jerome Pearson, người công bố một nghiên cứu chi tiết vào năm 1975.
Ý tưởng đến với đông đảo công chúng vào năm 1979, khi Arthur C. Clarke xuất bản The Fountains of Paradise, tiểu thuyết về việc xây một thang máy vũ trụ. Cuốn sách của Clarke khiến khái niệm này nổi tiếng khắp thế giới, và các kỹ sư đến nay vẫn nhắc tới nó.
Năm 1991, nhà vật lý Nhật Bản Sumio Iijima thu hút sự chú ý tới ống nano carbon, những ống nhỏ làm từ nguyên tử carbon với độ bền đáng kinh ngạc. Hy vọng dùng vật liệu này làm cáp đã dẫn tới các nghiên cứu do NASA tài trợ vào khoảng năm 2000. Năm 2012, công ty xây dựng Nhật Bản Obayashi công bố một phương án nhắm tới thang máy vũ trụ vào năm 2050, dựa trên ống nano carbon.
Phần khoa học có thật
Vật lý thì đã rõ ràng. Cơ học quỹ đạo, sự cân bằng giữa lực hấp dẫn và chuyển động quay, cũng như việc thu nhỏ dần tiết diện cáp đều được hiểu rõ, và không định luật tự nhiên nào cấm thang máy vũ trụ. Điều chưa rõ là liệu chúng ta có xây nổi nó hay không.
Bài toán vật liệu. Một sợi cáp dài hơn 35.000 km phải tự gánh trọng lượng của chính mình, và ứng suất lớn nhất nằm ở trên cao. Thép còn lâu mới đủ tốt. Vật liệu dùng được cần có tỷ lệ độ bền trên trọng lượng cao hơn nhiều lần. Ống nano carbon là ứng viên được nhắc đến nhiều nhất: từng ống đơn lẻ rất bền trong phòng thí nghiệm. Nhưng các sợi dài chế tạo được đến nay yếu hơn nhiều so với ống đơn và ngắn hơn rất nhiều so với hàng chục nghìn ki-lô-mét cần thiết. Graphene và các vật liệu khác cũng đang được nghiên cứu. Cho đến khi có một vật liệu đạt quy mô ấy, thang máy vũ trụ vẫn chỉ là bản thiết kế trên giấy.
Các mối nguy. Phần cáp phía dưới phải đi qua thời tiết, sét và gió, còn các nguyên tử oxy trên tầng khí quyển cao có thể ăn mòn một số vật liệu. Cao hơn nữa, sợi dây cắt ngang các vành đai bức xạ và một vùng đông đúc vệ tinh cùng rác vũ trụ. Một sợi cáp dài là mục tiêu lớn cho các mảnh vỡ, một rủi ro liên quan chặt chẽ đến hội chứng Kessler. Các cabin di chuyển dọc dây cũng có thể làm dây rung lắc, nên các nhà thiết kế cần cách làm tắt dao động.
Những bước nhỏ hơn. Vì lực hấp dẫn của Mặt Trăng chỉ bằng khoảng một phần sáu của Trái Đất, một thang máy trên Mặt Trăng có thể làm bằng các loại sợi bền mà ta đã sản xuất được. Ý tưởng này đã được nghiên cứu, dù chưa ai xây. Ở quy mô nhỏ hơn, một nhóm tại Đại học Shizuoka (Nhật Bản) đã thử nghiệm một cabin leo nhỏ chạy dọc sợi dây giữa hai vệ tinh nhỏ được thả từ Trạm Vũ trụ Quốc tế năm 2018. Thí nghiệm cho thấy nguyên lý leo dây hoạt động được trên quỹ đạo, nhưng còn rất xa mới tới một thang máy thực sự.
Các ước tính về thời điểm có thể có thang máy vũ trụ trải dài từ giữa thế kỷ này đến không bao giờ. Tóm lại một cách công bằng: đây là một thách thức kỹ thuật chứ không phải điều bất khả thi, nhưng phụ thuộc vào một đột phá về vật liệu.
Thang máy vũ trụ trong tiểu thuyết và phim ảnh
The Fountains of Paradise (1979) của Clarke là tác phẩm kinh điển. Kỹ sư Vannemar Morgan lên kế hoạch xây một tòa tháp lên quỹ đạo từ một ngọn núi trên hòn đảo hư cấu lấy cảm hứng từ Sri Lanka. Cuốn tiểu thuyết coi dự án này là một kỳ công kỹ thuật nghiêm túc, kèm theo cả chính trị và rủi ro của nó.
Bộ ba tiểu thuyết về sao Hỏa của Kim Stanley Robinson, mở đầu bằng Red Mars (1992), có một thang máy vũ trụ trên sao Hỏa. Nó trở thành một phần của cuộc tranh giành quyền kiểm soát hành tinh này. Ý tưởng cũng rất được ưa chuộng trong khoa học viễn tưởng Nhật Bản. Anime Mobile Suit Gundam 00 (2007) xoay quanh các thang máy quỹ đạo chuyển năng lượng mặt trời về Trái Đất, và chúng đóng vai trò quan trọng trong chính trị của câu chuyện.
Các tác phẩm này dùng thang máy theo những cách khác nhau. Có truyện dùng nó để thể hiện tham vọng của con người, có truyện dùng để cho thấy ai nắm quyền tiếp cận không gian. Trong hầu hết các truyện, nó vừa là chiếc thang vừa là phần thưởng.
Những hiểu lầm thường gặp
- Nó không phải một tòa tháp cao. Nó không tự đứng như một tòa nhà chọc trời. Nó treo từ trên cao xuống và được đối trọng giữ căng.
- Bạn sẽ không mất trọng lượng ngay lập tức. Lực hấp dẫn giảm dần theo độ cao. Chỉ ở độ cao địa tĩnh, chuyển động quay mới triệt tiêu nó đối với vật được cáp giữ.
- Nếu cáp đứt, không phải cả sợi cáp sẽ rơi xuống đất. Điều gì xảy ra còn tùy chỗ đứt. Phần trên sẽ văng ra ngoài không gian, còn phần dưới sẽ rơi xuống, phần lớn cháy trong khí quyển. Đó vẫn là một thảm họa, và vì thế các nhà thiết kế lo ngại về mảnh vỡ.
- Nó không chỉ là khoa học viễn tưởng. Các nghiên cứu nghiêm túc tồn tại ở những viện do NASA tài trợ và ở các công ty như Obayashi. Nhưng nó cũng chưa gần tới mức được xây dựng.
Đọc tiếp
Hội chứng Kessler giải thích vấn đề rác quỹ đạo mà bất kỳ thang máy vũ trụ nào cũng phải vượt qua. Cải tạo hành tinh (terraforming) bàn về những việc con người có thể làm trên các thế giới khác khi việc lên không gian rẻ hơn.
