Trong tương lai con người sẽ bay vào vũ trụ bằng phương tiện gì?

Ngày 9/8/2004, lần đầu tiên trên thế giới, các nhà khoa học thuộc Viện Khoa học về không gian và Du hành vũ trụ Nhật (ISAS) sử dụng tên lửa S-310 phóng thử nghiệm 2 tàu vũ trụ chạy bằng năng lượng mặt trời từ Trung tâm vũ trụ Uchinoura ở Kagoshima. Đây là tàu vũ trụ không cần động cơ đầu tiên. Ở độ cao 150km, S-310 nhả ra một tàu vũ trụ chạy bằng năng lượng mặt trời. Sau khi bung ra, tàu vũ trụ có hình vòng xuyến 4 cánh với đường kính 10m đã bay lượn trong không trung. Và khi ở độ cao 169km, tàu vũ trụ chạy bằng năng lượng mặt trời thứ hai cũng đã mở cánh và bay giống chiếc quạt xếp 6 cánh.

Với thử nghiệm trên, các nhà khoa học muốn chứng minh liệu vật liệu siêu nhẹ (hai tàu vũ trụ chạy bằng năng lượng mặt trời của Nhật chỉ dày 0,0075 mm, mỏng gấp 10 lần tờ giấy) có thể tự giương ra khi phóng lên không trung. Tuy có phần giống tàu vũ trụ Znamia của Nga được phóng từ trạm không gian MIR năm 1993, nhưng thử nghiệm của ISAS chú trọng những cải tiến trong kỹ thuật xếp tàu vũ trụ chạy bằng năng lượng mặt trời, vốn rất quan trọng bởi cấu trúc tàu vũ trụ phải được gói gọn trong tên lửa đẩy và có thể tự mở ra khi tách khỏi tên lửa này.

ISAS dùng loại nhựa thông dẻo có đặc tính phản quang, rất nhẹ làm chất liệu chế tạo tàu vũ trụ chạy bằng năng lượng mặt trời thử nghiệm. Và để có thể tự bay sau khi được tên lửa đẩy, loại tàu này tối thiểu phải rộng hơn 50m và nặng dưới 100kg.

“Thành công của IASA có ý nghĩa quan trọng bởi nó chứng minh những cấu trúc nhẹ nhưng lớn như thế có thể vận hành trong không gian” - kỹ sư Wolfgang Seboldt thuộc Trung tâm Không gian Đức, từng phụ trách dự án chế tạo tàu vũ trụ chạy bằng năng lượng mặt trời của Cơ quan Không gian châu Âu (ESA) cho biết.

Ngoài Nhật, châu Âu (dự án chế tạo tàu vũ trụ chạy bằng năng lượng mặt trời của ESA phải tạm hoãn do chi phí chế tạo vượt mức dự toán), Hiệp hội Nghiên cứu hành tinh, một tổ chức tư nhân ở Mỹ, cũng tham gia khám phá công nghệ chế tạo tàu vũ trụ chạy bằng năng lượng mặt trời. Giám đốc Hiệp hội Louis Friedman cho biết, thành công bước đầu của IASA là bước tiến quan trọng trong nỗ lực chế tạo một tàu vũ trụ chạy bằng năng lượng mặt trời thực thụ.

Trong cùng thời gian đó, các nhà khoa học Mỹ đã chế tạo một loại động cơ chạy bằng âm thanh. Với loại động cơ này, một ngày nào đó sóng âm có thể đẩy các tàu vũ trụ tới mép Thái Dương hệ. Các tàu vũ trụ tầm xa hiện nay, chẳng hạn tàu vũ trụ Cassini của Mỹ và châu Âu đang quay quanh sao Thổ, ở quá xa mặt trời nên không thể sử dụng ánh sáng để tạo năng lượng. Thay vào đó, nó mang các khối plutonium để sản xuất điện chạy động cơ. Khi plutonium phóng xạ phân rã, tạo ra nhiệt. Nhiệt sinh ra dòng điện giữa hai loại kim loại khác nhau. Tuy nhiên, các khối plutonium rất lớn, nặng và khó sản xuất. Ngoài ra, các động cơ giống như động cơ của Cassini chỉ đạt hiệu suất 7%. Do vậy, NASA đang tiến hành nghiên cứu động cơ Stirling mới, lợi dụng sự chênh lệch nhiệt độ giữa hai khối khí để sản xuất điện năng. Động cơ Stirling hạt nhân hiện đại của NASA đạt hiệu suất 25-30%. Do vậy, nếu được sử dụng trong một tàu vũ trụ giống như Cassini, chúng sẽ cần ít khối plutonium hơn. Tuy nhiên, vấn đề ở đây là chúng sử dụng hai píttông, một đẩy khí tới lui và một sản xuất điện.

Hiện một nhóm kỹ sư tại Phòng thí nghiệm Los Alamos và Công ty Công nghệ Vũ trụ Northrop Grumman đã chế tạo một loại động cơ Stirling chỉ có một píttông. Theo Mike Petach thuộc Northrop Grumman, động cơ này đáng tin cậy hơn và dễ dàng chế tạo ở quy mô lớn. Động cơ bao gồm một ống dài 30cm chứa đầy khí helium và khoảng 1.000 tấm kim loại xếp sát nhau. Plutonium đang phân rã nung nóng một đầu ống lên 6500C, làm cho khí helium xung quanh giãn nở và truyền nhiệt cho tấm kim loại kế tiếp rồi co lại. Tiến trình lặp lại theo hiệu ứng domino trong ống. Khí co và giãn sinh ra sóng âm dao động ở tần số 120 hertz, đẩy píttông động cơ và tạo ra điện.

Scott Backhaus thuộc Los Alamos đã nghiên cứu động cơ âm thanh trong nhiều năm, song đây là động cơ đầu tiên sản xuất thành công điện năng trong phòng thí nghiệm. Động cơ nguyên mẫu của họ có hiệu suất 18%, cao gấp đôi động cơ của các tàu vũ trụ ngày nay. Tuy nhiên, Petach nói rằng trong vòng hai năm tới, động cơ này sẽ được cải tiến để đạt hiệu suất 25%, tương đương động cơ Stirling hai píttông