Trong thời đại phụ thuộc ngày càng nhiều vào công nghệ vệ tinh và không gian, việc dự báo thời tiết không gian – tức các hiện tượng năng lượng và hạt từ Mặt Trời ảnh hưởng đến Trái Đất – trở nên quan trọng hơn bao giờ hết. Từ việc làm gián đoạn hệ thống định vị GPS, gây lỗi cho các lưới điện, đến ảnh hưởng đến an toàn của các phi hành gia và hành khách trên máy bay, thời tiết không gian không còn là một khái niệm xa lạ.
Để cải thiện khả năng dự báo, một nhóm nghiên cứu đang phát triển một chòm sao vệ tinh mang tên SWIFT (Space Weather Investigation Frontier). Đây là nỗ lực tiên phong nhằm đặt một thiết bị giám sát thời tiết không gian vượt xa điểm Lagrange L1 – vị trí truyền thống cách Trái Đất khoảng 1,5 triệu km – để tăng thời gian cảnh báo sớm trước các cơn bão Mặt Trời nguy hiểm.
Thời tiết không gian có thể gây ra điều gì?
Thời tiết không gian chủ yếu được gây ra bởi các vụ phun trào vật chất vành nhật hoa (coronal mass ejections – CME) từ Mặt Trời – những vụ nổ lớn giải phóng hàng tỷ tấn plasma và từ trường vào không gian. Khi những hạt năng lượng cao này đến Trái Đất, chúng có thể làm xáo trộn từ quyển của hành tinh, gây ra các cơn bão địa từ (geomagnetic storms).
Trong quá khứ, thời tiết không gian đã từng gây ra một số thiệt hại.
Vào tháng 9 năm 1859, sự kiện thời tiết không gian mạnh nhất từng được ghi nhận – được gọi là sự kiện Carrington – đã gây ra cháy nổ ở Bắc Mỹ và châu Âu do làm quá tải các đường dây điện báo. Tháng 8 năm 1972, một sự kiện tương tự suýt nữa đã ảnh hưởng đến các phi hành gia đang bay quanh Mặt Trăng. Liều bức xạ khi đó có thể đã gây tử vong. Gần đây hơn, vào tháng 2 năm 2022, SpaceX đã mất 39 trong số 49 vệ tinh Starlink mới phóng do một sự kiện thời tiết không gian với cường độ ở mức trung bình.
Trong các sự kiện thời tiết không gian cực đoan, tầng khí quyển của Trái Đất có thể nóng lên và giãn nở, làm tăng lực cản đối với các vệ tinh ở quỹ đạo thấp. Nếu không có điều chỉnh kịp thời, vệ tinh có thể hạ thấp dần độ cao và bốc cháy khi đi vào tầng khí quyển dày hơn.
May mắn thay, nếu được cảnh báo trước, các kỹ sư điều hành vệ tinh có thể cập nhật các tính toán lực cản, sử dụng hệ thống đẩy để nâng vệ tinh lên cao hơn, tránh nguy hiểm. Hãng hàng không cũng có thể thay đổi lộ trình bay để giảm thiểu rủi ro phơi nhiễm phóng xạ cho hành khách và phi hành đoàn, nhất là trên các chuyến bay qua vùng cực – nơi bảo vệ từ trường yếu hơn.
Đối với các sứ mệnh không gian trong tương lai, chẳng hạn như đưa người lên Mặt Trăng hay sao Hỏa – nơi không có lớp từ quyển như Trái Đất để che chắn – những cảnh báo sớm có thể giúp các phi hành gia tìm nơi trú ẩn kịp thời.
Thậm chí, những người yêu thích cực quang cũng sẽ biết trước thời gian lý tưởng để chiêm ngưỡng bầu trời rực sáng ánh xanh và đỏ.
SWIFT – Bước đột phá vượt ngoài điểm L1
Điểm L1 là nơi các lực hấp dẫn của Trái Đất và Mặt Trời cân bằng, cho phép một vệ tinh duy trì vị trí cố định tương đối để quan sát dòng gió Mặt Trời đến Trái Đất. Tuy nhiên, chòm sao SWIFT sẽ vượt xa hơn điểm này, đặt một vệ tinh ở khoảng cách 2,1 triệu km – xa hơn bất kỳ vệ tinh dự báo thời tiết không gian nào trước đây.
Tại vị trí mới, các nhà khoa học có thể phát hiện các sự kiện Mặt Trời sớm hơn gần một giờ so với hiện tại – khoảng thời gian quý giá để các cơ quan chức năng, doanh nghiệp và các nhà điều hành vệ tinh có thể ứng phó kịp thời.
Nhưng để duy trì vị trí xa như vậy, các vệ tinh không thể dùng hệ thống đẩy hóa học hoặc điện truyền thống vì sẽ nhanh chóng cạn nhiên liệu do phải liên tục chống lại lực hút của Mặt Trời.
Giải pháp: Buồm mặt trời
Để giải quyết bài toán nhiên liệu, nhóm phát triển SWIFT đã nghiên cứu trong nhiều thập kỷ để thiết kế một hệ thống đẩy hoàn toàn mới – buồm mặt trời (solar sail). Đây là công nghệ khai thác áp lực từ các photon ánh sáng Mặt Trời để tạo lực đẩy cho vệ tinh mà không cần nhiên liệu.
Buồm mặt trời giống như một chiếc gương cực kỳ mỏng – chỉ dày bằng một sợi tóc – có diện tích bằng khoảng một phần ba sân bóng đá. Khi các photon ánh sáng từ Mặt Trời đập vào buồm, chúng truyền động lượng, tạo ra một lực nhỏ đẩy vệ tinh về phía xa.
Cơ chế này tương tự như cánh buồm hứng gió để đưa thuyền đi trên biển. Nhưng thay vì gió, buồm mặt trời dùng ánh sáng. Mặc dù lực tạo ra rất nhỏ, nhưng trong môi trường không trọng lực của không gian, lực này có thể tích lũy theo thời gian và giúp vệ tinh di chuyển hiệu quả mà không bao giờ “hết xăng”.
Tiền đề từ những sứ mệnh trước
NASA lần đầu tiên thử nghiệm công nghệ buồm mặt trời với sứ mệnh NanoSail-D2 năm 2010, triển khai một cánh buồm rộng 10 m² ở quỹ đạo thấp của Trái Đất. Cùng năm đó, Cơ quan Vũ trụ Nhật Bản (JAXA) phóng sứ mệnh IKAROS – một thành công vang dội khi cánh buồm khổng lồ 196 m² đã đẩy vệ tinh tới quỹ đạo quanh sao Kim bằng chính lực ánh sáng.
Tổ chức Planetary Society và NASA sau đó tiếp tục với hai sứ mệnh sử dụng buồm mặt trời – LightSail và ACS3 – càng củng cố niềm tin vào công nghệ này.
Solar Cruiser – Cánh buồm cho SWIFT
Để chuẩn bị cho SWIFT, nhóm phát triển đang triển khai một sứ mệnh trình diễn tên là Solar Cruiser, dự kiến phóng sớm nhất vào năm 2029. Cánh buồm của Solar Cruiser sẽ có diện tích khổng lồ 1.653 m² – lớn hơn bất kỳ buồm mặt trời nào từng được triển khai. Trong năm ngoái, một phần tư của cánh buồm đã được triển khai thành công trên Trái Đất như một bước kiểm tra kỹ thuật quan trọng.
Việc gấp và đóng gói cánh buồm khổng lồ này vào một hộp chứa nhỏ gọn để phóng lên vũ trụ là một thách thức lớn. Nhưng khó khăn lớn nhất vẫn là triển khai cánh buồm trong môi trường không trọng lực và điều khiển vệ tinh theo đúng quỹ đạo cần thiết.
Nếu thành công, Solar Cruiser sẽ mở đường cho SWIFT triển khai đầy đủ với một vệ tinh sử dụng buồm mặt trời bay vượt L1, kết hợp với ba vệ tinh nhỏ hơn có hệ thống đẩy hóa học đặt tại điểm L1.
Chòm sao SWIFT sẽ hoạt động lâu dài, liên tục thu thập dữ liệu gió Mặt Trời từ nhiều vị trí khác nhau, giúp các nhà khoa học mô hình hóa và dự đoán chính xác hơn cách gió Mặt Trời tương tác với từ quyển Trái Đất.
Trong bối cảnh cơ sở hạ tầng của nhân loại – từ viễn thông, hàng không, đến định vị và ngân hàng – ngày càng phụ thuộc vào vệ tinh, việc đầu tư vào khả năng dự báo thời tiết không gian chính là đầu tư cho sự an toàn và bền vững trong kỷ nguyên không gian.
Minh họa cánh buồm Mặt Trời IKAROS ngoài không gian. Ảnh: Andrzej Mirecki qua Wikimedia Commons
Kỹ sư làm việc với cánh buồm tại Trung tâm Nghiên cứu Langley của NASA. Ảnh: NASA
Chòm sao vệ tinh SWIFT, minh họa không theo tỷ lệ, sẽ bay xa hơn các vệ tinh thời tiết không gian hiện nay để cải thiện thời gian cảnh báo thời tiết không gian. Ảnh: Steve Alvey
