Một nghiên cứu tổng quan mới cho thấy các công nghệ đẩy không cần nhiên liệu như hỗ trợ hấp dẫn, buồm Mặt Trời hay buồm điện có thể giúp tàu vũ trụ di chuyển xa hơn mà không phải mang theo lượng nhiên liệu khổng lồ. Theo các nhà khoa học, đây có thể là chìa khóa cho những sứ mệnh khám phá Hệ Mặt Trời và thậm chí là không gian liên sao trong tương lai.
Từ khi nhà khoa học Konstantin Tsiolkovsky xây dựng nền tảng lý thuyết cho ngành tên lửa hiện đại vào năm 1903, phần lớn tàu vũ trụ đều hoạt động theo cùng một nguyên lý: đốt nhiên liệu và phóng vật chất về phía sau để tạo lực đẩy theo định luật III Newton.
Tuy nhiên, phương pháp này gặp một hạn chế cơ bản. Tàu vũ trụ càng mang nhiều nhiên liệu thì càng nặng, đồng nghĩa phải cần thêm nhiên liệu để tăng tốc cho chính phần khối lượng đó. Điều này tạo ra vòng luẩn quẩn khiến các sứ mệnh đường dài trở nên rất tốn kém và phức tạp.
Để vượt qua rào cản này, các nhà nghiên cứu đang xem xét nhiều công nghệ đẩy tận dụng năng lượng hoặc động lượng sẵn có trong môi trường không gian, thay vì mang theo nhiên liệu từ Trái Đất.
Một trong những phương pháp đã được chứng minh hiệu quả là hỗ trợ hấp dẫn (gravity assist). Kỹ thuật này cho phép tàu vũ trụ bay sượt qua một hành tinh theo quỹ đạo được tính toán chính xác để “mượn” một phần rất nhỏ động lượng quỹ đạo của hành tinh đó, từ đó tăng tốc mà không cần tiêu tốn nhiên liệu.
Các tàu Voyager của NASA đã sử dụng chiến thuật này để thực hiện hành trình lịch sử qua các hành tinh khổng lồ ở vùng ngoài Hệ Mặt Trời. Tuy nhiên, phương pháp này phụ thuộc vào việc các hành tinh phải nằm ở vị trí thuận lợi vào đúng thời điểm, khiến cơ hội phóng và lựa chọn quỹ đạo bị giới hạn.
Một hướng đi khác là buồm Mặt Trời, công nghệ sử dụng áp suất bức xạ từ ánh sáng Mặt Trời để tạo lực đẩy. Những tấm buồm siêu mỏng phản xạ các photon ánh sáng, tạo ra gia tốc nhỏ nhưng liên tục trong thời gian dài.
Năm 2010, tàu IKAROS của Nhật Bản đã trở thành phương tiện đầu tiên chứng minh thành công công nghệ này khi di chuyển trong không gian bằng buồm Mặt Trời. Tuy nhiên, hệ thống đòi hỏi các cấu trúc cực lớn và rất mỏng, đồng thời hiệu quả giảm dần khi tàu đi xa Mặt Trời.
Các nhà khoa học cũng đang nghiên cứu buồm từ tính, sử dụng các vòng dây siêu dẫn để tạo từ trường mạnh, tương tác với gió Mặt Trời – dòng hạt mang điện liên tục phát ra từ Mặt Trời.
Về lý thuyết, buồm từ tính có thể tạo lực đẩy hiệu quả mà không cần những tấm màng phản xạ khổng lồ như buồm Mặt Trời. Tuy nhiên, công nghệ này có thể đòi hỏi các cuộn dây siêu dẫn có bán kính lên tới hàng chục km và phải được duy trì ở nhiệt độ cực thấp, vượt xa khả năng kỹ thuật hiện nay.
Một biến thể khác là buồm điện. Thay vì sử dụng từ trường, hệ thống này triển khai các dây dẫn tích điện dài để tương tác với các proton trong gió Mặt Trời, tạo ra lực đẩy cho tàu vũ trụ.
Buồm điện có tiềm năng giúp giảm đáng kể khối lượng tàu so với buồm từ tính, nhưng vẫn cần các cấu trúc rất lớn và nguồn điện đủ mạnh để duy trì điện tích trong thời gian dài.
Theo các nhà nghiên cứu, chưa có công nghệ nào trong số này đủ khả năng thay thế hoàn toàn tên lửa hóa học. Mỗi phương pháp đều có những hạn chế riêng, từ sự phụ thuộc vào vị trí các hành tinh cho tới yêu cầu về vật liệu siêu nhẹ hoặc hệ thống siêu dẫn quy mô lớn.
Tuy vậy, việc kết hợp nhiều công nghệ đẩy khác nhau có thể mở ra những phương thức di chuyển hoàn toàn mới trong không gian. Đối với các sứ mệnh tham vọng hướng tới những ngôi sao ngoài Hệ Mặt Trời, khả năng giảm hoặc loại bỏ nhu cầu mang theo nhiên liệu có thể trở thành yếu tố quyết định giúp biến các chuyến bay liên sao từ ý tưởng khoa học thành hiện thực.
Tên lửa Soyuz-FG cất cánh từ bệ phóng “Gagarin’s Start” tại sân bay vũ trụ Baikonur. Cho đến nay, hầu hết mọi tàu vũ trụ đều cần phải sử dụng nhiên liệu cho tên lửa phóng. Ảnh: Bill Ingalls
Tàu vũ trụ Voyager đã sử dụng thành công kỹ thuật hỗ trợ hấp dẫn để khám phá các hành tinh ở vùng ngoài Hệ Mặt Trời. Ảnh: NASA
