Các kỹ sư hàng không vũ trụ phải cân nhắc rất nhiều yếu tố khi thiết kế tàu vũ trụ, nhưng một thách thức ngày càng lớn là khả năng chống lại vi thiên thạch và rác thải quỹ đạo.
Dù phần lớn các nhà thiết kế đều hiểu rõ mối đe dọa này, việc tạo ra các giải pháp kết cấu đủ sức chịu được những cú va chạm siêu tốc từ các mảnh vật chất không thể kiểm soát lại có thể làm tiêu tốn đáng kể ngân sách của một sứ mệnh.
Một nghiên cứu mới của Binkal Kumar Sharma thuộc Đại học Bremen và Harshitha Baskar, nhà nghiên cứu độc lập, đã đưa ra đánh giá chi tiết về các công nghệ tiên tiến nhất hiện nay nhằm bảo vệ tàu vũ trụ trước những hạt vật chất nguy hiểm này.
Trên thực tế, các nhà thiết kế phải đối mặt với hai mối đe dọa khác nhau.
Thứ nhất là vi thiên thạch — những mảnh đá nhỏ trong không gian tách ra từ sao chổi hoặc tiểu hành tinh. Đây là mối nguy chủ yếu ở các quỹ đạo thấp hơn 270 km hoặc cao hơn 4.800 km. Trong khoảng độ cao giữa hai mức này, mối đe dọa lớn hơn lại đến từ rác thải không gian do con người tạo ra, vốn có thể gây tổn hại nghiêm trọng đến cấu trúc tàu vũ trụ.
Vi thiên thạch có một số đặc điểm giúp việc phòng vệ trở nên đơn giản hơn. Chúng gần như luôn lao đến từ một hướng duy nhất (từ phía trên) và thường đã bắt đầu bị khí quyển xé nhỏ. Tuy nhiên, chúng có thể lao tới với vận tốc cực lớn, lên tới 72 km/giây so với tàu vũ trụ, đồng nghĩa ngay cả những hạt rất nhỏ cũng có thể tạo ra năng lượng va chạm cực lớn.
Trong khi đó, rác thải quỹ đạo nguy hiểm hơn vì xuất hiện ở khắp nơi và có thể lao tới từ bất kỳ hướng nào. Các mảnh lớn có thể được theo dõi và vệ tinh thường có khả năng né tránh ở mức độ nhất định. Nhưng những mảnh nhỏ hơn hiện vẫn gần như không thể theo dõi, trong khi vẫn có thể va chạm với vệ tinh ở tốc độ lên tới 15 km/giây.
Những vụ va chạm này lại tạo ra thêm nhiều rác thải mới, làm gia tăng nguy cơ của hiện tượng được gọi là hội chứng Kessler — kịch bản chuỗi va chạm liên tiếp khiến quỹ đạo Trái Đất ngày càng nguy hiểm hơn.
Hiện nay, giải pháp tiêu chuẩn của ngành để đối phó với nguy cơ này là lá chắn Whipple. Về cơ bản, đây là một lớp chắn bằng nhôm được thiết kế để làm bốc hơi các vật thể va chạm trước khi chúng chạm tới các bộ phận quan trọng bên trong vệ tinh.
Trong những năm gần đây, thiết kế truyền thống này đã được nâng cấp thành các biến thể như lá chắn gia cường nhiều lớp “stuffed shield” và lá chắn giảm chấn đa tầng “multi-shock shield”.
Các phiên bản này bổ sung khoảng trống giữa lớp chắn và cấu trúc bên trong bằng những vật liệu có độ bền kéo cao như sợi Kevlar và vải gốm Nextel, giúp tiếp tục nghiền nhỏ các mảnh vỡ để đảm bảo chúng không xuyên tới lõi vệ tinh.
Tuy nhiên, vẫn còn nhiều dư địa cải tiến, đặc biệt là về trọng lượng.
Trong ngành không gian, trọng lượng gần như đồng nghĩa với chi phí, vì vậy các nhà nghiên cứu đang tìm cách giảm khối lượng của hệ thống bảo vệ này.
Một trong những công nghệ hứa hẹn nhất là sản xuất bồi đắp (additive manufacturing), hay còn gọi là in 3D — đặc biệt là công nghệ nung chảy lớp bột kim loại bằng laser (LPBF), cho phép tạo ra các linh kiện kim loại. Theo các ước tính, linh kiện sản xuất bằng LPBF có thể giúp giảm tới 70% trọng lượng, con số đủ để thu hút sự chú ý của bất kỳ kỹ sư tàu vũ trụ nào.
Tuy nhiên, công nghệ này cũng có nhược điểm: các linh kiện LPBF hiện vẫn khá xốp và không có độ cứng cơ học cao như các linh kiện gia công truyền thống. Trong môi trường thường xuyên chịu va đập mạnh, những lỗ rỗng này có thể trở thành điểm yếu nguy hiểm.
Bước phát triển tiếp theo là sử dụng cấu trúc mạng kim loại in 3D, kết hợp với các lớp polymer tiên tiến. Một trong những vật liệu triển vọng nhất là polyethylene siêu cao phân tử.
Loại vật liệu này hoạt động như một “miếng bọt biển động năng”, hấp thụ phần năng lượng còn sót lại của vật thể va chạm sau khi nó đã bị lớp mạng kim loại làm vỡ vụn. Ngoài ra, nếu kết hợp với các phụ gia như mảnh graphene tự nhiên và boron carbide, vật liệu này còn có thể đóng vai trò như lớp chắn nhiệt và chắn bức xạ.
Những tiến bộ này đang mở rộng đáng kể các lựa chọn vật liệu cho các nhà thiết kế tàu vũ trụ.
Dù chưa thể loại bỏ hoàn toàn nguy cơ từ vi thiên thạch và rác quỹ đạo, các công nghệ phòng vệ thụ động mới có thể giúp giảm đáng kể mức độ rủi ro — và có lẽ cũng giúp các kỹ sư tàu vũ trụ yên tâm hơn phần nào.
Minh họa rác thải không gian đang quay quanh Trái Đất. Ảnh: ESA
