Sự bùng nổ số lượng các vụ phóng tên lửa đang khiến quỹ đạo Trái Đất ngày càng dày đặc các vệ tinh được chế tạo từ vật liệu bền hơn và chịu nhiệt tốt hơn. Khi chúng quay trở lại Trái Đất, chúng không phải lúc nào cũng cháy rụi như kỳ vọng.
Khi tàu vũ trụ phóng lên, một số bộ phận, bao gồm tầng tên lửa không tái sử dụng, sẽ được tách ra để giảm khối lượng và được thiết kế để tự cháy khi tái nhập khí quyển. Các vệ tinh cũng sẽ quay trở lại khí quyển khi kết thúc vòng đời, với giả định rằng chúng sẽ cháy rụi. Tuy nhiên, trên thực tế, nhiều trường hợp không diễn ra như dự đoán.
Mảnh vỡ từ các bộ phận tàu vũ trụ hoặc vệ tinh không cháy hoàn toàn khi tái nhập khí quyển có thể gây rủi ro cho con người và công trình trên mặt đất. Sự gia tăng các vụ phóng, chủ yếu từ các công ty tư nhân như SpaceX, đang biến một rủi ro vốn hiếm gặp thành một mối đe dọa ngày càng rõ rệt.
Mảnh vỡ rơi xuống Trái Đất
Mảnh vỡ tái nhập khí quyển đã nhiều lần rơi xuống tài sản công và tư nhân trên khắp thế giới kể từ năm 2021. Một số sự kiện đáng chú ý liên quan đến các bộ phận từ thân (khoang chứa hàng) bằng sợi carbon của tàu SpaceX Dragon — bộ phận vẫn gắn với khoang có người lái cho đến vài giờ trước khi tái nhập khí quyển. Các phần thân này lớn hơn xe van 15 chỗ và được dùng để chứa hàng.
Mảnh vỡ từ sứ mệnh Crew-7 tới Trạm Vũ trụ Quốc tế đã rơi xuống bang North Carolina (Mỹ), trong khi mảnh vỡ từ sứ mệnh Crew-1 rơi xuống bang New South Wales (Úc). Tương tự, mảnh vỡ từ sứ mệnh Axiom-3 đã rơi xuống Saskatchewan (Canada).
Ngoài các phần thân khoang tàu, nhiều mảnh vỡ thu hồi trên mặt đất còn là các chi tiết bằng sợi carbon dùng để chứa khí nén giúp điều chỉnh hướng bay của tàu vũ trụ. Những mảnh vỡ dạng này gần đây đã được tìm thấy tại Úc, Argentina và Ba Lan.
Vậy vì sao nhiều mảnh vỡ vẫn có thể rơi xuống bề mặt Trái Đất trong khi phần lớn được cho là sẽ cháy rụi?
Các vệ tinh như Starlink của SpaceX hoạt động ở quỹ đạo thấp Trái Đất, thường ở độ cao khoảng 300–2.000 km. Để duy trì quỹ đạo, chúng phải di chuyển với tốc độ khoảng 27.000 km/giờ. Để đạt được tốc độ này, tên lửa mang theo hàng ngàn tấn nhiên liệu đã phải tăng tốc cho chúng, và một phần năng lượng này vẫn tồn tại dưới dạng động năng của vệ tinh.
Khi một vật thể trong quỹ đạo hạ thấp dần và đi vào lớp khí quyển trên cùng, nó bắt đầu va chạm với các phân tử không khí, làm chậm lại và tạo ra nhiệt lượng lớn. Nhiệt này có thể nhanh chóng phá hủy vệ tinh, làm nóng chảy kim loại ở mức trên 1.600°C.
Số vụ phóng tăng mạnh
Các quốc gia đã phóng vật thể lên không gian từ những năm 1950. Vậy vì sao vấn đề mảnh vỡ tái nhập khí quyển lại trở nên đáng lo ngại hiện nay?
Trong thập niên 1960, số vật thể phóng lên không gian vào khoảng 100 mỗi năm. Con số này gần như ổn định cho đến năm 2016. Tuy nhiên, sau đó tăng mạnh: năm 2016 có khoảng 200 vụ phóng, nhưng đến năm 2025 đã lên tới 4.500 vụ.
Phần lớn các vụ phóng đến từ các công ty tại Mỹ như SpaceX và Rocket Lab. Các công ty này, cùng với các đơn vị ngoài Mỹ, đang lên kế hoạch triển khai những chòm vệ tinh gồm hàng trăm nghìn đến hàng triệu vệ tinh.
Càng nhiều vật thể được phóng lên, số lượng sự kiện tái nhập khí quyển càng tăng. Theo quy định quốc tế, các nhà vận hành vệ tinh phải đưa vệ tinh hết hạn khỏi quỹ đạo trong vòng 25 năm. Một số cơ quan như Ủy ban Truyền thông Liên bang Mỹ (FCC) đã đề xuất rút ngắn thời gian này xuống còn 5 năm. Tuy nhiên, tác động đầy đủ của làn sóng phóng vệ tinh hiện nay sẽ chỉ xuất hiện trong khoảng 10 năm tới hoặc lâu hơn.
Những quyết định về công nghệ và chính sách hôm nay sẽ ảnh hưởng trực tiếp đến mức độ an toàn trong tương lai.
Vai trò của sợi carbon
Song song với tiến bộ công nghệ, vật liệu dùng trong tàu vũ trụ ngày càng nhẹ hơn, bền hơn và chịu nhiệt tốt hơn.
Các vệ tinh hiện đại sử dụng nhiều vật liệu như nhựa gia cường sợi carbon và kim loại tiên tiến. Đây là những vật liệu được ưa chuộng vì nhẹ, nhưng cũng khiến các mảnh vỡ có khả năng sống sót cao hơn khi tái nhập khí quyển.
Sợi carbon, từng chỉ dùng trong công nghệ vũ trụ, nay đã xuất hiện trong nhiều sản phẩm phổ biến như khung xe đạp và thân xe đua. Trong ngành hàng không vũ trụ, đây vẫn là vật liệu tiêu chuẩn cho các bộ phận như thân tên lửa, cấu trúc kết nối giữa các tầng và các bình chịu áp suất.
Trong khi kim loại đơn giản như nhôm hay thép dễ nóng chảy và bị đốt cháy trong khí quyển, sợi carbon — vốn được sản xuất ở nhiệt độ tới 3.000°C — lại có thể cháy không đồng nhất, khiến quá trình phân rã của vật thể trở nên khó dự đoán hơn.
Từ đầu những năm 2000, phần lớn mảnh vỡ thu hồi được đều chứa sợi carbon hoặc các bộ phận kim loại được bọc carbon. Trong một số trường hợp, sợi carbon còn đóng vai trò như một “tấm chắn nhiệt” ngoài ý muốn, giúp các mảnh nặng hơn sống sót qua quá trình tái nhập.
Thiết kế để “tự hủy”
Một hướng nghiên cứu đang được chú ý là “thiết kế để tự hủy” – thiết kế để tàu vũ trụ tự phân rã hoàn toàn khi quay trở lại khí quyển.
Thay vì chỉ dựa vào việc rời khỏi quỹ đạo có kiểm soát để đưa phần còn lại rơi xuống đại dương, các kỹ sư thiết kế vật thể sao cho chúng cháy rụi hoàn toàn trong quá trình tái nhập.
Cách tiếp cận này có thể bao gồm sử dụng vật liệu dễ cháy hơn, bố trí lại các bộ phận khó cháy vào khu vực chịu nhiệt cao hơn, hoặc thiết kế các liên kết có thể tự tách ở nhiệt độ cao để phá vỡ cấu trúc thành các mảnh nhỏ hơn dễ cháy rụi khi hồi quyển.
Điều này đi ngược lại xu hướng truyền thống vốn ưu tiên vật liệu bền, nhẹ và chịu nhiệt cao nhất. Tuy nhiên, mục tiêu là tạo ra vật liệu “thông minh hơn” — vẫn bền trong suốt nhiệm vụ, nhưng trở nên yếu đi khi quay trở lại khí quyển.
Một vệ tinh vỡ ra khi tái nhập khí quyển, với các tấm pin mặt trời và ăng-ten bị tách rời dưới nhiệt độ cực cao. Với tốc độ phóng ngày càng tăng, các vật liệu chịu nhiệt tốt hơn đang khiến nhiều mảnh vỡ có thể sống sót và rơi xuống mặt đất. Ảnh: ESA
| Các siêu chòm vệ tinh đang gây ô nhiễm tầng trên ở mức nguy hiểm
Hoàng Khang (Theo Space.com) Các nghiên cứu cho thấy kể từ khi kỷ nguyên siêu chòm vệ tinh bắt đầu vào năm 2020, nồng độ ô nhiễm không khí tầng cao gây hại phát sinh từ các vụ phóng và tái nhập vệ tinh đã tăng đáng kể. Theo các ước tính mà giới nghiên cứu mô tả là “thận trọng”, đến năm 2030 ngành công nghiệp vũ trụ toàn cầu sẽ thải ra nhiều hóa chất gây biến đổi khí hậu vào khí quyển hơn cả toàn bộ khí thải từ Vương quốc Anh. Nếu tốc độ gia tăng mà các lãnh đạo ngành vũ trụ dự báo trở thành hiện thực, lượng ô nhiễm này — chủ yếu tập trung ở các tầng khí quyển cao — sẽ bắt đầu làm thay đổi khí hậu Trái Đất, bà Eloise Marais, giáo sư hóa học khí quyển và chất lượng không khí tại University College London, nói với Space.com. “Ô nhiễm từ công nghiệp vũ trụ giống như một thí nghiệm địa kỹ thuật quy mô nhỏ, không được kiểm soát, có thể gây ra nhiều hậu quả môi trường nghiêm trọng và khó lường,” bà nói. “Địa kỹ thuật” (geoengineering) là thuật ngữ dùng để chỉ các biện pháp can thiệp nhằm đảo ngược sự gia tăng nhiệt độ toàn cầu do nồng độ khí nhà kính tăng lên trong khí quyển. Một trong những phương pháp được thảo luận nhiều là phun aerosol vào tầng bình lưu, tức đưa các hạt phản xạ ánh sáng vào lớp khí quyển thứ hai của Trái Đất để giảm lượng nhiệt mặt trời chiếu xuống bề mặt. Tuy nhiên, giới khoa học cảnh báo các tác động có thể khó dự đoán, bao gồm thay đổi lượng mưa, hạn hán và biến động thời tiết bất thường. Bà Marais là một trong những nhà khoa học đang nghiên cứu tác động của ô nhiễm không khí từ hoạt động không gian. Nghiên cứu mới nhất của nhóm bà cho thấy đến năm 2029, ô nhiễm từ các vụ phóng vệ tinh siêu chòm — như Starlink, Amazon Leo hoặc các dự án của Trung Quốc Guowang và Qianfan — sẽ chiếm hơn 40% tổng lượng ô nhiễm do ngành vũ trụ tạo ra. Các siêu chòm vệ tinh — chủ yếu dùng để cung cấp internet từ quỹ đạo thấp — đang trở thành xu hướng phát triển nhanh. Các vệ tinh này có vòng đời ngắn và thường được thay thế khoảng mỗi 5 năm bằng công nghệ mới. Việc thay thế liên tục đồng nghĩa với tần suất phóng và tái nhập cao hơn so với các sứ mệnh truyền thống, vốn được thiết kế cho thời gian hoạt động dài. Điều này dẫn đến việc nhiều chất ô nhiễm hơn được đưa vào các tầng khí quyển vốn trước đây gần như “nguyên sơ”. “Phần lớn các vụ phóng siêu chòm hiện nay sử dụng nhiên liệu kerosene vì thường dùng tên lửa Falcon 9, vốn tạo ra muội than đen,” bà Marais nói. “Muội than này được thải vào các tầng khí quyển cao, nơi nó tồn tại từ 2,5 đến 3 năm. Vì vậy, tác động khí hậu của nó lớn hơn khoảng 540 lần so với muội than phát thải từ các nguồn mặt đất như tàu biển, ô tô và nhà máy điện.” Các nhà nghiên cứu ước tính tác động của ô nhiễm từ tên lửa bằng cách tính lượng khí thải dự kiến từ các vụ phóng và tái nhập vệ tinh trong một giai đoạn nhất định. Trong khi phóng vệ tinh chủ yếu tạo ra muội than đen — có khả năng làm ấm tầng khí quyển cao — thì quá trình tái nhập lại tạo ra oxit nhôm, có thể gây hại cho tầng ozone. Sau đó, nhóm nghiên cứu sử dụng các mô hình khí hậu để dự đoán tác động của các chất ô nhiễm này lên Trái Đất. “Mô hình có thể cho chúng ta biết khá chính xác mức độ ozone bị phá hủy và mức độ khí hậu bị thay đổi bởi ô nhiễm này,” bà Marais nói. Bà cũng nhấn mạnh rằng các mô hình hiện tại đều dựa trên những con số “thận trọng”, trong khi tốc độ tăng số lượng vệ tinh thực tế đang vượt xa dự báo của giới nghiên cứu. Hiện có hơn 15.000 vệ tinh đang hoạt động trên quỹ đạo Trái Đất, theo Cơ quan Vũ trụ châu Âu (ESA), gấp ba lần so với năm 2020. Phần lớn sự gia tăng này đến từ chòm vệ tinh Starlink của SpaceX, hiện có hơn 10.000 vệ tinh. Các đối thủ mới như Amazon Leo và các chương trình của Trung Quốc như Guowang và Qianfan cũng đang xây dựng các chòm vệ tinh riêng. Đến năm 2030, có thể sẽ có khoảng 100.000 vệ tinh quay quanh Trái Đất, với tốc độ tăng tiếp tục trong các thập kỷ sau. Bà Marais cảnh báo về sự phát triển không được kiểm soát của các vụ phóng vệ tinh. Các hạt thải vào tầng khí quyển cao có thể đạt đến mức đủ để ảnh hưởng đến khí hậu Trái Đất. Bà cho biết, dù đến năm 2029 nồng độ ô nhiễm từ phóng và tái nhập vệ tinh vẫn chỉ bằng khoảng một phần trăm mức cần thiết cho các can thiệp địa kỹ thuật, nhưng sự tích lũy liên tục do số lượng vệ tinh tăng nhanh vẫn là điều đáng lo ngại. “Chúng ta cần coi vấn đề này nghiêm túc hơn rất nhiều trong việc quản lý ô nhiễm từ phóng và tái nhập,” bà nói. “Cũng cần tăng mạnh đầu tư cho nghiên cứu vì chúng ta đang không theo kịp tốc độ phát triển của ngành công nghiệp vũ trụ.” Nghiên cứu được công bố ngày thứ Năm, 13/5, trên tạp chí Earth’s Future.
|
