Hiện có khoảng 15.000 vệ tinh đang quay quanh Trái Đất. Phần lớn trong số này, như Trạm Vũ trụ Quốc tế hay Kính viễn vọng Hubble, hoạt động trong quỹ đạo Trái Đất thấp (LEO), với độ cao tối đa khoảng 2.000 km so với bề mặt Trái Đất.

Tuy nhiên, khi ngày càng nhiều vệ tinh được phóng lên LEO – riêng chòm sao internet Starlink của SpaceX hiện nay cũng đã có tới hàng gần 10.000 vệ tinh – khu vực này đang trở nên khá đông đúc.

Chính vì vậy, việc tồn tại một quỹ đạo khác, còn gần Trái Đất hơn nữa, được xem là điều may mắn, bởi nó hứa hẹn giúp giảm tải tình trạng quá tải hiện nay. Quỹ đạo này được gọi là VLEO, hay quỹ đạo Trái Đất rất thấp (VLEO), nằm ở độ cao chỉ từ 100 đến 400 km so với bề mặt Trái Đất.

Có thể khẳng định rằng các vệ tinh hoạt động trong quỹ đạo Trái Đất rất thấp mang lại nhiều lợi thế so với các vệ tinh ở độ cao lớn hơn. Vệ tinh VLEO có thể cung cấp hình ảnh độ phân giải cao hơn, truyền thông nhanh hơn và dữ liệu khoa học khí quyển tốt hơn. Hiện nay, một số công ty, như Victoria Defense chẳng hạn, đang tìm cách thương mại hóa VLEO cùng các công nghệ năng lượng định hướng trong không gian khác.

Những lợi thế của VLEO

Hình ảnh thu được từ các vệ tinh quỹ đạo Trái Đất rất thấp sắc nét hơn, đơn giản vì chúng “nhìn” Trái Đất rõ ràng hơn so với các vệ tinh ở cao hơn. Điều này đồng nghĩa chúng ta có ảnh độ phân giải cao hơn phục vụ nông nghiệp, khoa học khí hậu, ứng phó thiên tai và giám sát quân sự.

Liên lạc đầu-cuối cũng nhanh hơn, rất phù hợp cho các hình thức truyền thông theo thời gian thực như điện thoại và internet. Dù tín hiệu vẫn truyền với cùng tốc độ, nhưng quãng đường ngắn hơn giúp giảm độ trễ, khiến các cuộc trò chuyện diễn ra mượt mà hơn.

Chính những lợi ích này đang thúc đẩy các cơ quan chính phủ và ngành công nghiệp nỗ lực phát triển các vệ tinh quỹ đạo Trái Đất rất thấp.

Rào cản lớn: lực cản khí quyển

Bạn có thể tự hỏi vì sao khu vực không gian này cho đến nay vẫn ít được sử dụng cho các hoạt động vệ tinh dài hạn. Câu trả lời nằm ở một nguyên nhân chính: lực cản khí quyển.

Không gian thường được hình dung là chân không. Vậy rốt cuộc không gian bắt đầu từ đâu? Mặc dù độ cao khoảng 100 km – được gọi là Đường Kármán – thường được coi là ranh giới bắt đầu của không gian, nhưng thực tế không tồn tại một điểm chuyển tiếp rõ ràng nơi không gian đột ngột bắt đầu. Thay vào đó, khi rời xa Trái Đất, bầu khí quyển dần trở nên loãng hơn.

Việc xác định nơi không gian bắt đầu mang tính tương đối, nhưng đa số vẫn coi mốc khoảng 100 km là chuẩn.

Trong và bên dưới quỹ đạo Trái Đất rất thấp, bầu khí quyển vẫn đủ dày để làm chậm vệ tinh, khiến những vệ tinh ở độ cao thấp nhất có thể rơi khỏi quỹ đạo chỉ trong vài tuần, thậm chí vài ngày, và bốc cháy khi lao trở lại Trái Đất. Để chống lại lực cản này và duy trì quỹ đạo, vệ tinh buộc phải liên tục tự đẩy mình về phía trước, giống như việc bạn phải đạp xe liên tục khi đi ngược gió.

Để tạo lực đẩy trong không gian, vệ tinh sử dụng nhiều loại động cơ khác nhau. Tuy nhiên, trong VLEO, các động cơ này phải hoạt động gần như liên tục. Điều đó đồng nghĩa với việc các động cơ truyền thống sẽ nhanh chóng cạn nhiên liệu.

May mắn là bầu khí quyển Trái Đất ở VLEO vẫn đủ “đậm đặc” để chính không khí có thể được sử dụng làm nhiên liệu.

Công nghệ động cơ đẩy mang tính đột phá

Tại Đại học Penn State, phối hợp với Georgia Tech và được Bộ Quốc phòng Mỹ tài trợ, một nhóm các nhà khoa học đang phát triển một hệ thống đẩy mới, được thiết kế để hoạt động ở độ cao 70–90 km. Về mặt kỹ thuật, những độ cao này thậm chí còn thấp hơn cả quỹ đạo Trái Đất rất thấp, khiến thách thức vượt qua lực cản khí quyển trở nên khó khăn hơn nữa.

Cách tiếp cận của các nhà khoa học này là thu gom không khí bằng một bộ phận giống như cái “phễu hứng”, tương tự việc bạn há miệng thật rộng khi đạp xe, sau đó sử dụng vi sóng công suất cao để làm nóng lượng khí thu được. Khí nóng này được ép ra qua một vòi phun, tạo lực đẩy cho vệ tinh. Nhóm các nhà khoa học này gọi khái niệm này là động cơ đẩy plasma vi sóng “hít thở không khí”. Họ đã chứng minh được một nguyên mẫu động cơ trong phòng thí nghiệm, bên trong buồng chân không mô phỏng áp suất khí quyển ở độ cao khoảng 80 km.

Cách tiếp cận này tương đối đơn giản nhưng đầy tiềm năng, đặc biệt ở các độ cao thấp nơi khí quyển dày hơn. Ở cao hơn, khi khí quyển mỏng dần, tàu vũ trụ có thể sử dụng các loại động cơ VLEO khác mà nhiều nhóm nghiên cứu đang phát triển, nhằm bao phủ dải độ cao rộng hơn.

Nhóm các nhà khoa học nêu trên không phải là đơn vị duy nhất nghiên cứu công nghệ động cơ đẩy. Bộ Quốc phòng Mỹ đã hợp tác với nhà thầu quốc phòng Red Wire để phát triển Otter, một vệ tinh VLEO sử dụng phiên bản động cơ “hít thở khí quyển” của họ.

Một phương án khác để duy trì vệ tinh trong VLEO là nối một vệ tinh ở quỹ đạo thấp hơn với một vệ tinh ở quỹ đạo cao hơn bằng một sợi dây dài. Dù NASA chưa từng triển khai hệ thống như vậy, các sứ mệnh vệ tinh dây nối trong thập niên 1990 từng đề xuất việc thả một vệ tinh xuống quỹ đạo thấp hơn rất nhiều từ tàu con thoi, được nối bằng một sợi dây cực dài. Hiện nay, các nhà khoa học đang xem xét lại hệ thống này để đánh giá khả năng ứng dụng cho VLEO dưới một hình thức cải tiến.

Những thách thức khác

Vượt qua lực cản khí quyển, dù là khó khăn lớn nhất, vẫn chưa phải là thách thức duy nhất. Các vệ tinh quỹ đạo Trái Đất rất thấp còn phải đối mặt với mức độ oxy nguyên tử rất cao – một dạng oxy có tính phản ứng mạnh, có thể nhanh chóng ăn mòn hầu hết vật liệu, kể cả nhựa.

Vật liệu cấu thành vệ tinh cũng phải chịu được nhiệt độ cực cao, vượt quá 1.500 độ C, do ma sát sinh nhiệt khi vệ tinh di chuyển trong khí quyển – hiện tượng cũng xảy ra khi mọi tàu vũ trụ quay trở lại khí quyển từ quỹ đạo.

Tiềm năng của các vệ tinh này đang thúc đẩy mạnh mẽ nghiên cứu và đầu tư, và nhiều sứ mệnh đề xuất đã dần trở thành hiện thực. Công ty nghiên cứu Juniper ước tính sẽ có khoảng 220 tỷ USD được đầu tư chỉ trong ba năm tới. Trong tương lai không xa, internet, dự báo thời tiết và an ninh của bạn có thể còn tốt hơn nữa, nhờ vào các vệ tinh quỹ đạo Trái Đất rất thấp.

Một động cơ đẩy “hít thở không khí” đang hoạt động trong buồng chân không tại Đại học Penn State. Ảnh: Ethan Kravet

Càng bay ở quỹ đạo gần Trái Đất, các vệ tinh — như vệ tinh viễn thông trong hình — càng phải đối mặt với lực cản khí quyển lớn hơn. Ảnh: iStock