Sự bùng nổ của các “siêu chòm” vệ tinh đang đặt ra một câu hỏi lớn cho ngành không gian: làm thế nào để kết thúc vòng đời của vệ tinh mà không gây rủi ro cho Trái Đất và bầu khí quyển. Cách làm phổ biến hiện nay – để vệ tinh tự cháy rụi khi tái nhập khí quyển – tưởng chừng an toàn, nhưng đang bộc lộ nhiều hệ quả đáng lo ngại.
Theo nghiên cứu của Antoinette Ott và Christophe Bonnal, hai kỹ sư thuộc công ty chế tạo vệ tinh MaiaSpace, nguyên tắc “Thiết kế để tự hủy” (Design for Demise – D4D) có thể gây tác động tiêu cực lâu dài đến tầng ô-dôn và khí hậu. Vấn đề không chỉ nằm ở những mảnh vỡ rơi xuống mặt đất, mà còn ở các phản ứng hóa học diễn ra trên cao, nơi con người khó quan sát và càng khó kiểm soát.
Một trong những tác nhân đáng lo nhất là các oxit nitơ (NOx). Trên Trái Đất, NOx được xem là chất ô nhiễm nghiêm trọng và phải được xử lý chặt chẽ, chẳng hạn như trong động cơ diesel. Với vệ tinh, NOx hình thành theo cách khác: khi vệ tinh lao vào khí quyển, các sóng xung kích tạo ra nhiệt độ cực cao, buộc nitơ và ôxy trong không khí kết hợp với nhau. Quá trình này, gọi là cơ chế Zeldovich, về bản chất giống như việc “nấu chín không khí”. Các ước tính cho thấy tới 40% năng lượng từ khối lượng của vệ tinh có thể bị chuyển hóa thành NOx trong lúc tái nhập, góp phần làm suy giảm tầng ô-dôn.
Mối lo thứ hai đến từ chính vật liệu cấu thành vệ tinh. Nhôm được sử dụng rộng rãi vì dễ cháy và được cho là sẽ “biến mất” hoàn toàn trong khí quyển. Nhưng khi nhôm cháy, nó tạo ra alumina (oxit nhôm), tích tụ ở tầng bình lưu, ở độ cao khoảng 20 km. Tại đây, các hạt alumina có thể làm mát tầng khí quyển thấp hơn nhưng lại gây hiệu ứng làm nóng ở tầng trên, làm rối loạn các mô hình thời tiết. Nguy hiểm hơn, chúng còn đóng vai trò như bề mặt phản ứng, kích hoạt clo – một trong những tác nhân phá hủy ô-dôn hiệu quả nhất.
Thực tế, alumina không hoàn toàn xa lạ với khí quyển Trái Đất. Các thiên thạch khi cháy rụi cũng tạo ra chất này. Tuy nhiên, các mô hình dự báo cho thấy trong vài thập kỷ tới, lượng alumina ở tầng khí quyển trên có thể tăng tới 650% do hoạt động của con người, với những hệ quả chưa thể lường hết. Dữ liệu từ sứ mệnh SABRE của NOAA cho thấy dấu hiệu này đã xuất hiện: khoảng 10% các hạt axit sulfuric trong tầng bình lưu hiện nay chứa alumina.
Trước những rủi ro đó, câu hỏi đặt ra là liệu có lựa chọn nào khác ngoài D4D. Một hướng tiếp cận là “Thiết kế để không tự hủy” (Design for Non-Demise – D4ND), trong đó vệ tinh được thiết kế để giữ nguyên cấu trúc khi rời quỹ đạo. Cách làm này giúp hạn chế các phản ứng hóa học trong khí quyển, nhưng lại làm tăng nguy cơ các mảnh vệ tinh còn nguyên vẹn rơi xuống mặt đất.
Đây không còn là rủi ro mang tính lý thuyết. SpaceX và Cục Hàng không Liên bang Mỹ (FAA) đã nhiều lần tranh luận về hiệu quả thực sự của D4D, khi ngày càng có bằng chứng cho thấy một số bộ phận vệ tinh vẫn sống sót sau tái nhập. Các tiêu chuẩn quốc tế như ISO 27875 quy định xác suất gây thương vong trên mặt đất không vượt quá 1/10.000 cho mỗi vật thể rời quỹ đạo. Tuy nhiên, với những mạng lưới như Starlink – có thể vượt mốc 40.000 vệ tinh và liên tục được bổ sung – mức rủi ro này bắt đầu trở nên khó chấp nhận đối với xã hội.
Một phương án khác là tái nhập có kiểm soát, đưa vệ tinh rơi xuống những khu vực an toàn như giữa Thái Bình Dương. Nhiều cơ quan quản lý đã yêu cầu điều này, nhưng chi phí là rào cản lớn. Vệ tinh phải nặng hơn để chịu được quá trình tái nhập và mang thêm nhiên liệu để tự điều hướng đến điểm an toàn. Điều đó đồng nghĩa với chi phí phóng cao hơn. Dù vậy, trong bối cảnh giá phóng đang giảm nhờ các công nghệ mới, đây có thể là sự đánh đổi mà ngành công nghiệp cần nghiêm túc cân nhắc.
Theo bà Ott, không tồn tại một lời giải “đúng” tuyệt đối. Mỗi lựa chọn – D4D hay D4ND – đều đi kèm rủi ro riêng, từ tác động môi trường đến nguy cơ đối với con người dưới mặt đất. Vì thế, việc đánh giá toàn diện các rủi ro này cần trở thành một phần cốt lõi trong thiết kế vệ tinh tương lai. Bà cũng cho biết giới kỹ sư đang nỗ lực xây dựng các mô hình chuẩn hóa để định lượng rủi ro, đồng thời nghiên cứu những hướng đi mới, như triết lý “Thiết kế để giới hạn tác động” (Design for Containment).
Khi các siêu chòm vệ tinh tiếp tục mở rộng nhanh chóng, cách chúng ta “chia tay” với vệ tinh khi hết vòng đời sẽ ngày càng quan trọng. Đó không chỉ là câu chuyện an toàn dưới mặt đất, mà còn là bài toán bảo vệ bầu khí quyển. Trong một thế giới phụ thuộc ngày càng lớn vào hạ tầng quỹ đạo tầm thấp, thách thức đặt ra là duy trì lợi ích công nghệ mà không đánh đổi bằng chính môi trường sống của Trái Đất.
Khoang tàu OSIRIS-REx đã trở về Trái Đất thành công. Liệu điều này có thể thực hiện đối với các vệ tinh? Ảnh: NASA
