Bạn đã bao giờ tưởng tượng một ngày nào đó chỉ cần bước vào một chiếc thang máy, bấm nút và ngay lập tức bạn sẽ có mặt trong vũ trụ chưa? Nghe có vẻ giống như bộ phim giả tưởng khoa học nào đó, nhưng khoa học không gian bắt đầu nghiên cứu cơ sở lý thuyết để xây dựng loại thang máy vận hành trong vũ trụ này.
Con người thích đưa vật chất nhân tạo ra ngoài bầu khí quyển Trái Đất: từ vệ tinh thời tiết, trạm vũ trụ, cho đến vệ tinh GPS, gần đây nhất là kính viễn vọng không gian James Webb. Hiện tại, chúng ta chỉ có một cách duy nhất để vận chuyển những vật trên vào không gian, đó là sử dụng tên lửa.
Cho dù tên lửa là một phát minh đánh dấu bước tiến lớn của nhân loại, nhưng theo thời gian chúng ta nhận ra nó quá tốn kém và không hiệu quả. Để đưa 1 kg vật thể vào quỹ đạo Trái Đất tầm thấp (LEO - nằm ở độ cao 400 km so với bề mặt Trái Đất), có hai yêu cầu bắt buộc thực hiện: thứ nhất là phải nâng vật thể lên độ cao 400 km, và để giữ nó ở độ cao đó đòi hỏi phải di chuyển rất nhanh - yếu tố thứ 2.
Chúng ta hãy lập mô hình toán học các dạng năng lượng để dễ hình dung hơn. Động năng là năng lượng một vật có được do vận tốc của nó. Vì vậy, nếu bạn tăng vận tốc, động năng của vật đó cũng tăng theo. Thế năng trọng trường phụ thuộc vào khoảng cách giữa vật thể và Trái Đất. Nếu tăng độ cao của một vật thì thế năng trọng trường cũng sẽ tăng.
Giờ thì vận dụng lý thuyết trên vào việc vận hành tên lửa. Trong trường hợp bạn muốn sử dụng tên lửa để tăng thế năng trọng trường (nâng lên độ cao 400 km), đồng thời tăng động năng của nó (tăng vận tốc), hãy nhớ rằng bay vào vũ trụ đòi hỏi tốc độ nhiều hơn độ cao. Thế năng trọng lực chỉ chiếm 11% năng lượng, phần còn lại đều thuộc về động năng.
Tổng năng lượng để đưa vật thể 1kg vào vũ trụ là khoảng 33 triệu jun. Để so sánh thì bạn chỉ mất khoảng 10 jun để nhặt một cuốn sách trên sàn và đặt nó trên bàn. Như vậy, việc bay vào vũ trụ sẽ tốn rất nhiều năng lượng.
Tuy nhiên, chuyến hành trình vẫn còn nhiều khó khăn khác. Tên lửa hóa học không chỉ cần năng lượng để đưa vật thể nặng 1 kg đó lên quỹ đạo, nó còn cần mang theo nhiên liệu cho hành trình đến LEO. Trên thực tế, 85% tổng khối lượng của tên lửa chỉ dành để chứa nhiên liệu đốt. Khi tên lửa không còn tối ưu, người ta bắt đầu đặt giả thuyết về việc xây dựng thang máy không gian.
Đầu tiên, rất khó để xây dựng một cấu trúc bằng thép như vậy tồn tại ngoài bầu khí quyển. Trọng lượng có thể nén và làm sập phần dưới tháp, đi kèm là tốn một lượng lớn vật liệu.
Cho dù xoay sở giải quyết được vấn đề trên, bài toán tốc độ vẫn khiến các nhà khoa học đau đầu. Làm sao để chiếc thang máy di chuyển đủ nhanh để đưa vật thể 1 kg lên đến LEO? Nếu bạn đứng trên đỉnh tòa tháp dài 400 km với chân đế ở đâu đó trên đường xích đạo, bạn sẽ cảm thấy bản thân như đang di chuyển, đơn giản vì Trái Đất không đứng yên. Trái Đất quay khoảng một lần mỗi ngày, và có vận tốc góc là 7,29 x 10-5 radian mỗi giây (vận tốc góc là thước đo tốc độ quay, khác với vận tốc thẳng đo trên đường thẳng).
Phép tính trên giống như khi hai người đứng trên một chiếc đu quay, nếu nó quay cả hai sẽ có cùng vận tốc góc. Tuy nhiên, người ở xa tâm quay sẽ chuyển động nhanh hơn. Giả sử một người cách trung tâm 1 mét, người kia cách 3 mét, thì tốc độ của họ lần lượt là 1 m/s và 3 m/s. Do đó, nếu đi đủ xa tâm hành tinh thì chuyển động quay của Trái Đất có thể tạo ra vận tốc cần thiết để giữ vật thể trong quỹ đạo.
Nếu một người ở trên đỉnh tòa tháp dài 400 km, vị trí anh ta đứng có đủ xa tâm Trái Đất để đạt vận tốc cần thiết? Để quay một vòng hoàn chỉnh, vận tốc góc hành tinh chúng ta là 2π radian mỗi ngày. Với chân đế đặt ở đường xích đạo, vận tốc góc trên cho phép bạn đạt tốc độ 465 m/s. Nghe thì có vẻ ổn nhưng từng đó vẫn chưa đủ. Vận tốc quỹ đạo (vận tốc cần thiết để ở trong quỹ đạo) ở độ cao 400 km lên tới 7,7 km/s.
Ngoài ra còn một yếu tố chi phối khác: khi bạn tăng khoảng cách với Trái Đất, vận tốc quỹ đạo sẽ bị giảm. Nếu bạn đi từ độ cao 400 đến 800 km so với bề mặt Trái Đất, tốc độ quỹ đạo giảm từ 7,7 km/s xuống 7,5 km/s. Nó không phải sự khác biệt lớn, nhưng hãy nhớ rằng, bán kính quỹ đạo cũng đóng vai trò quan trọng, không chỉ mỗi chiều cao trên bề mặt Trái Đất. Về mặt lý thuyết, bạn có thể xây một tòa tháp ma thuật đủ cao để đi vào vũ trụ nhưng nó phải cao ít nhất 36.000 km. Con số không thể hiện thực hóa trong điều kiện thực tế.
Nếu không thể xây dựng một tòa tháp cao 36.000 km, sao không nghĩ đến việc thay thế nó bằng sợi cáp dài tương đương và treo nó vào một vật thể trong quỹ đạo địa tĩnh. Trong quỹ đạo địa tĩnh, thời gian một vật thể hoàn thành một quỹ đạo chính xác bằng thời gian Trái Đất quay. Điều đó rất hữu ích, bởi vì bạn biết chính xác nơi để tìm nó. Và chúng ta gọi sợi dây cáp nối dài này là thang máy vũ trụ.
Vật thể dùng cố định điểm đầu sợi dây cáp có thể là trạm vũ trụ hoặc tiểu hành tinh. Điều kiện tiên quyết là khối lượng phải lớn để nó không trượt khỏi quỹ đạo mỗi khi vận chuyển một vật gì đó lên không gian.
Tiếp theo hãy xem xét tính khả thi của loại thang máy này. Đối với một sợi cáp dài, ngay cả vật liệu bền nhất, như kevlar, cũng phải siêu dày để ngăn nó bị đứt. Tuy nhiên, cáp dày hơn có nghĩa là trọng lượng bên dưới sẽ tăng lên, do đó phần trên cần dày hơn để hỗ trợ phần cáp ở dưới. Một bài toán kép không thể tìm ra lời giải. Trong tương lai, nếu may mắn tìm được vật liệu siêu bền và nhẹ như ống nano carbon, dự án thang máy không gian mới có khả năng tiến hành.
Trong video, phần dưới của cáp khi rơi xuống mặt đất (chấm tròn vàng) có thể gây ra một số phá hủy nghiêm trọng. Trong mô hình này, nó sẽ chỉ đi khoảng một phần ba quãng đường quanh xích đạo, mặc dù chiều dài đầy đủ của nó có thể cho phép di chuyển gần một vòng quanh Trái Đất, có chu vi 40.000 km.
Như bạn có thể thấy, một số bộ phận của cáp thậm chí không chạm vào bề mặt. Nếu các mảnh bắt đầu đủ cao, vận tốc của chúng sẽ tăng lên khi chúng rơi càng gần bề mặt. May mắn nếu vận tốc đủ nhanh chúng sẽ bị trượt khỏi quỹ đạo Trái Đất. Với cư dân đang sống ở đường xích đạo, xin chúc mừng bạn không trở thành nạn nhân của sự cố rơi cáp thang máy này.
Nếu dây cáp vẫn còn nguyên vẹn, mỗi mảnh sẽ kéo theo những mảnh gần nó. Điều này sẽ khiến nhiều dây cáp hơn rơi xuống Trái Đất. Đến một thời điểm, lực trong sợi cáp sẽ mạnh đến mức khiến nó bị đứt rời. Cuối cùng, thảm kịch u đầu vẫn sẽ xảy ra.
Do đó, ý tưởng xây dựng thang máy không gian vẫn rất phi thực tế vì nhiều lý do kể trên. Tại thời điểm hiện tại, phương tiện dù tốn kém và không hiệu quả như tên lửa vẫn là lựa chọn duy nhất của con người.
Nguồn: Arstechnica
Cho dù tên lửa là một phát minh đánh dấu bước tiến lớn của nhân loại, nhưng theo thời gian chúng ta nhận ra nó quá tốn kém và không hiệu quả. Để đưa 1 kg vật thể vào quỹ đạo Trái Đất tầm thấp (LEO - nằm ở độ cao 400 km so với bề mặt Trái Đất), có hai yêu cầu bắt buộc thực hiện: thứ nhất là phải nâng vật thể lên độ cao 400 km, và để giữ nó ở độ cao đó đòi hỏi phải di chuyển rất nhanh - yếu tố thứ 2.
Chúng ta hãy lập mô hình toán học các dạng năng lượng để dễ hình dung hơn. Động năng là năng lượng một vật có được do vận tốc của nó. Vì vậy, nếu bạn tăng vận tốc, động năng của vật đó cũng tăng theo. Thế năng trọng trường phụ thuộc vào khoảng cách giữa vật thể và Trái Đất. Nếu tăng độ cao của một vật thì thế năng trọng trường cũng sẽ tăng.
Giờ thì vận dụng lý thuyết trên vào việc vận hành tên lửa. Trong trường hợp bạn muốn sử dụng tên lửa để tăng thế năng trọng trường (nâng lên độ cao 400 km), đồng thời tăng động năng của nó (tăng vận tốc), hãy nhớ rằng bay vào vũ trụ đòi hỏi tốc độ nhiều hơn độ cao. Thế năng trọng lực chỉ chiếm 11% năng lượng, phần còn lại đều thuộc về động năng.
Tổng năng lượng để đưa vật thể 1kg vào vũ trụ là khoảng 33 triệu jun. Để so sánh thì bạn chỉ mất khoảng 10 jun để nhặt một cuốn sách trên sàn và đặt nó trên bàn. Như vậy, việc bay vào vũ trụ sẽ tốn rất nhiều năng lượng.
Tuy nhiên, chuyến hành trình vẫn còn nhiều khó khăn khác. Tên lửa hóa học không chỉ cần năng lượng để đưa vật thể nặng 1 kg đó lên quỹ đạo, nó còn cần mang theo nhiên liệu cho hành trình đến LEO. Trên thực tế, 85% tổng khối lượng của tên lửa chỉ dành để chứa nhiên liệu đốt. Khi tên lửa không còn tối ưu, người ta bắt đầu đặt giả thuyết về việc xây dựng thang máy không gian.
Kiến thức cơ bản về thang máy không gian
Giả sử bạn xây một tòa tháp khổng lồ cao 400 km. Bạn có thể đi thang máy lên đến đỉnh và sau đó bạn sẽ ở trong không gian. Không, mọi việc không đơn giản như vậy.Đầu tiên, rất khó để xây dựng một cấu trúc bằng thép như vậy tồn tại ngoài bầu khí quyển. Trọng lượng có thể nén và làm sập phần dưới tháp, đi kèm là tốn một lượng lớn vật liệu.
Cho dù xoay sở giải quyết được vấn đề trên, bài toán tốc độ vẫn khiến các nhà khoa học đau đầu. Làm sao để chiếc thang máy di chuyển đủ nhanh để đưa vật thể 1 kg lên đến LEO? Nếu bạn đứng trên đỉnh tòa tháp dài 400 km với chân đế ở đâu đó trên đường xích đạo, bạn sẽ cảm thấy bản thân như đang di chuyển, đơn giản vì Trái Đất không đứng yên. Trái Đất quay khoảng một lần mỗi ngày, và có vận tốc góc là 7,29 x 10-5 radian mỗi giây (vận tốc góc là thước đo tốc độ quay, khác với vận tốc thẳng đo trên đường thẳng).
Phép tính trên giống như khi hai người đứng trên một chiếc đu quay, nếu nó quay cả hai sẽ có cùng vận tốc góc. Tuy nhiên, người ở xa tâm quay sẽ chuyển động nhanh hơn. Giả sử một người cách trung tâm 1 mét, người kia cách 3 mét, thì tốc độ của họ lần lượt là 1 m/s và 3 m/s. Do đó, nếu đi đủ xa tâm hành tinh thì chuyển động quay của Trái Đất có thể tạo ra vận tốc cần thiết để giữ vật thể trong quỹ đạo.
Nếu một người ở trên đỉnh tòa tháp dài 400 km, vị trí anh ta đứng có đủ xa tâm Trái Đất để đạt vận tốc cần thiết? Để quay một vòng hoàn chỉnh, vận tốc góc hành tinh chúng ta là 2π radian mỗi ngày. Với chân đế đặt ở đường xích đạo, vận tốc góc trên cho phép bạn đạt tốc độ 465 m/s. Nghe thì có vẻ ổn nhưng từng đó vẫn chưa đủ. Vận tốc quỹ đạo (vận tốc cần thiết để ở trong quỹ đạo) ở độ cao 400 km lên tới 7,7 km/s.
Ngoài ra còn một yếu tố chi phối khác: khi bạn tăng khoảng cách với Trái Đất, vận tốc quỹ đạo sẽ bị giảm. Nếu bạn đi từ độ cao 400 đến 800 km so với bề mặt Trái Đất, tốc độ quỹ đạo giảm từ 7,7 km/s xuống 7,5 km/s. Nó không phải sự khác biệt lớn, nhưng hãy nhớ rằng, bán kính quỹ đạo cũng đóng vai trò quan trọng, không chỉ mỗi chiều cao trên bề mặt Trái Đất. Về mặt lý thuyết, bạn có thể xây một tòa tháp ma thuật đủ cao để đi vào vũ trụ nhưng nó phải cao ít nhất 36.000 km. Con số không thể hiện thực hóa trong điều kiện thực tế.
Vật thể dùng cố định điểm đầu sợi dây cáp có thể là trạm vũ trụ hoặc tiểu hành tinh. Điều kiện tiên quyết là khối lượng phải lớn để nó không trượt khỏi quỹ đạo mỗi khi vận chuyển một vật gì đó lên không gian.
Tiếp theo hãy xem xét tính khả thi của loại thang máy này. Đối với một sợi cáp dài, ngay cả vật liệu bền nhất, như kevlar, cũng phải siêu dày để ngăn nó bị đứt. Tuy nhiên, cáp dày hơn có nghĩa là trọng lượng bên dưới sẽ tăng lên, do đó phần trên cần dày hơn để hỗ trợ phần cáp ở dưới. Một bài toán kép không thể tìm ra lời giải. Trong tương lai, nếu may mắn tìm được vật liệu siêu bền và nhẹ như ống nano carbon, dự án thang máy không gian mới có khả năng tiến hành.
Nếu cáp thang máy rơi thì sao?
Trong đời thực, không đơn giản để mô hình hóa sự cố trên, nhưng ta có thể phỏng đoán sơ bộ. Giả sử cáp thang máy được làm từ 100 mảnh vật liệu riêng lẻ. Mỗi mảnh bắt đầu chuyển động quanh Trái Đất, nhưng với cùng vận tốc góc với Trái Đất. Trong một cáp thang máy vũ trụ thực tế, sẽ có một số lực căng giữa các mảnh. Trong mô hình này, để đơn giản ta sẽ chỉ tính có lực hấp dẫn từ tương tác với Trái Đất.Trong video, phần dưới của cáp khi rơi xuống mặt đất (chấm tròn vàng) có thể gây ra một số phá hủy nghiêm trọng. Trong mô hình này, nó sẽ chỉ đi khoảng một phần ba quãng đường quanh xích đạo, mặc dù chiều dài đầy đủ của nó có thể cho phép di chuyển gần một vòng quanh Trái Đất, có chu vi 40.000 km.
Như bạn có thể thấy, một số bộ phận của cáp thậm chí không chạm vào bề mặt. Nếu các mảnh bắt đầu đủ cao, vận tốc của chúng sẽ tăng lên khi chúng rơi càng gần bề mặt. May mắn nếu vận tốc đủ nhanh chúng sẽ bị trượt khỏi quỹ đạo Trái Đất. Với cư dân đang sống ở đường xích đạo, xin chúc mừng bạn không trở thành nạn nhân của sự cố rơi cáp thang máy này.
Nếu dây cáp vẫn còn nguyên vẹn, mỗi mảnh sẽ kéo theo những mảnh gần nó. Điều này sẽ khiến nhiều dây cáp hơn rơi xuống Trái Đất. Đến một thời điểm, lực trong sợi cáp sẽ mạnh đến mức khiến nó bị đứt rời. Cuối cùng, thảm kịch u đầu vẫn sẽ xảy ra.
Do đó, ý tưởng xây dựng thang máy không gian vẫn rất phi thực tế vì nhiều lý do kể trên. Tại thời điểm hiện tại, phương tiện dù tốn kém và không hiệu quả như tên lửa vẫn là lựa chọn duy nhất của con người.
Nguồn: Arstechnica
