• Mark Piesing
  • BBC Future

NASA

Nguồn hình ảnh, NASA

Nếu bạn có thể điều khiển thiết bị bay không người lái trên bầu trời Sao Hỏa, bạn có thể bao phủ một phạm vi lãnh thổ rộng lớn nhanh hơn nhiều so với xe tự hành. Nhưng làm nên một thiết bị như vậy là cả một thử thách ghê gớm.

Vào ngày 19/4/2021, trực thăng robot thử nghiệm cỡ nhỏ có tên là Ingenuity cất cánh từ bề mặt Sao Hỏa và đi vào sử sách.

Động cơ của thiết bị quay tròn dữ dội trong không khí loãng để tạo ra lực đẩy vừa đủ, nâng nó lên độ cao của tòa nhà một tầng. Ingenuity bay lơ lửng rồi hạ cánh an toàn, hoàn thành chuyến bay điều khiển từ xa đầu tiên của nhân loại trên một hành tinh khác.

Nơi nó hạ cánh được gọi là Cánh đồng Anh em nhà Wright (Wright Brothers Field), đặt theo tên hai nhà tiên phong trong lĩnh vực hàng không.

Vào giữa thập niên 2030, Dragonfly, một tàu thăm dò không gian có gắn cánh quạt kích cỡ tương đương một chiếc xe hơi nhỏ, theo kế hoạch sẽ thực hiện bước tiếp theo. Nó sẽ hạ cánh xuống Titan, mặt trăng lớn nhất của Sao Thổ, để bắt đầu nhiệm vụ khám phá đầu tiên của nhân loại đối với hành tinh này.

Trong vòng một tiếng, Dragonfly sẽ phải bay xa hơn bất kỳ xe tự hành nào từng hoạt động trên bề mặt bất kỳ hành tinh nào khác.

Phương tiện giống máy bay không người lái với nhiều cánh quạt này sẽ bay dọc theo bề mặt Titan, hạ cánh trong một ngày trên Titan (tương đương 16 ngày trên Trái Đất) để thực hiện các thử nghiệm trước khi bay đến điểm tiếp theo.

Nhưng thách thức lớn nhất - có lẽ cũng là cơ hội vĩ đại nhất - cho du hành ngoài Trái Đất là Sao Kim, hành tinh nóng như địa ngục với nhiệt độ cực cao, áp suất và bầu khí quyển đầy tính axit. Không có phương tiện nào có thể tồn tại quá 127 phút trên bề mặt như đá phiến nứt nẻ của nó.

Các nhà khoa học đề xuất đưa hai tàu bay tới Sao Kim. Một chiếc giống tàu lượn, chạy bằng năng lượng mặt trời và có thể bay liên tục qua tầng khí quyển ôn hoà trên cao của hành tinh, còn chiếc kia có thiết kế cánh bay, giúp nó bay qua được những điều kiện tồi tệ ở sát gần với bề mặt Sao Kim.

"Việc phát triển công nghệ giúp hạ cánh được xuống Sao Kim là điều khó khăn," Tiến sỹ Eldar Noe Dobrea, khoa học gia cao cấp tại Viện Khoa học Hành tinh, California, người đang phát triển các ý tưởng cho sứ mệnh Sao Kim, nói. "Cách tiếp cận khác duy nhất là bay xuyên qua bầu khí quyển."

Teddy Tzanetos, kỹ sư công nghệ người máy tại Aerial Mobility Group và là trưởng nhóm phát triển Trực thăng Ingenuity Sao Hỏa, đã bắt đầu thiết kế thế hệ tiếp theo cho các trực thăng bay trên Sao Hỏa.

"Chúng ta đều biết chuyến bay đầu tiên của anh em Wright trên Trái Đất có ý nghĩa thế nào với nhân loại, và tôi nghĩ chúng tôi sẽ theo đuổi mô hình tương tự trên những hành tinh khác," ông nói.

"Tôi chưa từng nghĩ đến một sự so sánh như thế, nhưng Dragonfly là bước tiếp theo sau chuyến bay đầu tiên của Ingenuity," Elizabeth "Zibi" Turtle, nhà nghiên cứu chính tại Phòng Thí nghiệm Vật lý Ứng dụng, Đại học Johns Hopkins, nói. "Đây sẽ là phương tiện [hàng không] đầu tiên chuyên chở toàn bộ tải trọng khoa học của nó từ nơi này đến nơi khác."

Getty ImagesNguồn hình ảnh, Getty Images

Chụp lại hình ảnh,

Một chiếc trực thăng nhỏ như Ingenuity (hình bên phải) giúp vẽ bản đồ các thế giới bên ngoài Trái Đất theo cách khác với phương pháp tỉ mẩn của những xe tự hành như Curiosity

Giống như những nhà tiên phong trong lĩnh vực hàng không vùng địa cực thời kỳ đầu, các kỹ sư NASA nhận ra các phương tiện hàng không có thể cách mạng hoá việc thám hiểm những thế giới mới.

Những cỗ máy mang tính biểu tượng như các tàu đổ bộ lên Sao Hỏa là Viking hay Curiosity, và các tàu quỹ đạo như tàu Cassini của hành tinh Titan, sẽ tiếp tục giữ vai trò then chốt trong hành trình khám phá ở những nơi có không khí phù hợp, tuy nhiên có thể vẫn có những sự lựa chọn khác.

Các thiết bị robotic và máy móc được điều khiển từ xa, trực thăng, thiết bị bay không người lái (drone) và thậm chí cả máy bay cánh quạt bơm hơi (tất cả đều là đề xuất đến từ các nhà khoa học NASA) có thể nhanh chóng thu thập dữ liệu chất lượng cao từ một khu vực rộng lớn trên bề mặt hành tinh, tránh được địa hình nguy hiểm, thu thập các hình ảnh ở cự ly gần mà xe tự hành hoặc tàu quỹ đạo không thể thực hiện được, và xem xét mục tiêu cần nghiên cứu ở những góc độ khác nhau.

Những thiết bị bay như vậy có thể đi đến bất cứ nơi nào mà xe tự hành không thể đến - như núi, đỉnh núi, và thậm chí bề mặt không hề dễ tiếp cận của Sao Kim.

Vấn đề đối với các kỹ sư NASA là môi trường trên mỗi hành tinh tạo ra những hạn chế khác nhau cho loại phi cơ, tải trọng và năng lực. Công nghệ hiện tại cũng tạo ra những hạn chế tương tự cho các kỹ sư.

Wernher von Braun, người thiết kế tên lửa Saturn V, hình dung việc hạ cánh xuống Sao Hỏa bằng tàu lượn siêu thanh. Nhà văn khoa học viễn tưởng Philip K Dick tưởng tượng con người đi khai phá Sao Hỏa bằng trực thăng. Các kỹ sư NASA bắt đầu nghiên cứu ý tưởng về một chiếc máy bay Sao Hỏa sau tàu đổ bộ Viking năm 1970, các tính năng mà họ nghiên cứu cuối cùng được dùng cho thiết bị bay tự động (drone) Predator mà quân đội Mỹ ngày nay sử dụng.

Trên Sao Hỏa, khí quyển có áp suất chưa bằng 1% so với khí quyển Trái Đất, khiến máy bay khó tạo lực nâng. Điều này có nghĩa trực thăng Sao Hỏa cần phải rất nhẹ nhưng vẫn phải đủ sức nâng pin lithium-ion, cảm biến và camera gắn trên nó, cũng như hệ thống sưởi và cách nhiệt để giúp nó tồn tại qua những đêm Sao Hỏa lạnh giá. "Nếu bạn có thể giải quyết hết tất cả các thử thách này và chế tạo được máy bay nhẹ hơn 1,8kg (4lb), bạn có được Ingenuity," Tzanetos nói.

"Kỹ sư trưởng và các thành viên trong nhóm chúng tôi bắt đầu xem xét ý tưởng về trực thăng trên Sao Hỏa từ hồi thập niên 1990, nhưng công nghệ khi đó không cho phép," ông nói. "Phải đến những năm 2010, công nghệ cho lĩnh vực này mới có bước tiến đáng kể."

Nhóm cũng xem xét khả năng máy bay gắn cánh cố định, nhưng trên Sao Hỏa, máy bay cánh quạt phù hợp hơn bởi cần hoạt động trên địa hình không có bãi đỗ.

NASA có chín mức khác nhau về độ sẵn sàng công nghệ (TRL), xếp lần lượt từ mức TRL1 là mức mà "các nguyên tắc cơ bản đã được quan sát và báo cáo", cho đến mức TRL9, hay còn gọi là "sẵn sàng bay" trong suốt quá trình hoạt động.

Vào thập niên 1990, loại pin dùng để nạp năng lượng cho Ingenuity chỉ vừa mới được phát triển và không mấy người nhận ra tiềm năng của các vật liệu như sợi carbon.

Tương tự, bộ phận cảm biến - là thiết bị 'cơ bắp' nhưng rất nhẹ của máy tính và gồm những thuật toán dùng để điều khiển việc bay lượn của cỗ máy - chưa phát triển đủ mức. Kể cả kỹ năng của con người trong việc chế tạo và điều khiển cỗ máy cũng vậy.

Hơn 20 năm sau, mọi chuyện đã khác. Ngày nay, trên Trái Đất, thiết bị bay tự động (drone) đảm nhận nhiệm vụ giao hàng hóa và vaccine, kiểm tra cây trồng trong mùa vụ, hay khảo sát các địa điểm khảo cổ. "Thực sự là phối kết hợp của tất cả những công nghệ này vào đúng thời điểm đã giúp hình thành nên Ingenuity," Tzanetos nói.

Ingenuity đã vượt qua các chuyến bay thử và hiện giờ vẫn đang tiếp tục hoạt động. "Mục tiêu chính là chứng minh chúng ta có thể bay trên Sao Hỏa, và chúng tôi đã thực hiện hơn 19 chuyến bay như vậy," Tzanetos nói. "Tiếp tục cho Ingenuity bay là điều chúng tôi có thể làm để tạo ra tác động lớn nhất đến tương lai."

"Mỗi chuyến bay thành công đem lại kho tàng dữ liệu kỹ thuật rất quan trọng cho các thế hệ kế tiếp sử dụng."

NASA/John Hopkins APLNguồn hình ảnh, NASA/John Hopkins APL

Chụp lại hình ảnh,

Dragonfly có thể tự tạo ra bản đồ Titan của riêng nó khi bay trên bề mặt hành tinh này

Tzanetos nói nhóm của ông đang thiết kế máy bay cánh quạt có sức tải trọng lớn hơn cho quãng đường xa hơn. "Chúng tôi muốn có sẵn câu trả lời khi NASA đặt câu hỏi."

Titan là sự đối lập hoàn toàn với Sao Hỏa. Mặt trăng của Sao Thổ có kích cỡ bằng một hành tinh có lớp vỏ bị bao phủ bởi băng, mà bên dưới lớp vỏ băng là một đại dương bao phủ toàn bộ hành tinh.

Nó lạnh vô cùng và có mưa methane. Có đề xuất được đưa ra, theo đó nói chúng ta có thể thám hiểm bề mặt của mặt trăng này bằng thuyền, đưa tàu ngầm xuống dưới biển và dùng tàu bay trên không trung.

"Môi trường trên Titan rất phù hợp với việc sử dụng các phi cơ tải trọng lớn để thám hiểm," Melissa G Trainer, phó giám đốc dự án tàu khám phá vũ trụ Dragonfly, nói.

Titan có lực hấp dẫn thấp và bầu khí quyển đậm đặc, đồng nghĩa với việc máy bay và trực thăng kích cỡ lớn hơn có thể hoạt động được, chịu tải trọng lớn hơn, và có năng lực hoạt động lớn hơn so với máy bay hoạt động trên Sao Hỏa.

Môi trường trên Titan cho phép máy bay cánh quạt như Dragonfly có thể đem theo pin hạt nhân rất mạnh của NASA, thứ cần thiết để phục vụ các mục tiêu khoa học của sứ mệnh cũng như để thực hiện các thử nghiệm về chính bản thân chúng, phần cứng máy tính, và cụm càng hạ cánh có độ bám tốt để ứng phó được với bề mặt gồ ghề.

Các bản đồ hiện có không đủ chi tiết, nhưng máy bay cánh quạt sẽ bay qua một địa điểm có thể thích hợp cho việc hạ cánh, nhưng nếu điểm đó không đảm bảo an toàn thì nó sẽ bay tiếp. "Dragonfly sẽ tự lập bản đồ Titan trong lúc bay," Trainer nói. "Cách tiếp cận này là phương án ít rủi ro nhất."

Sao Hỏa, tuy vậy, lại có lợi thế hơn Titan ở một khía cạnh. "Toàn bộ đội tàu quỹ đạo bay quanh Sao Hỏa đã ở đó hàng thập kỷ để khảo sát thực địa cho Ingenuity và đóng vai trò tiếp sức cho nó," Turtle nói. "Dragonfly sẽ phải trực tiếp liên lạc với Trái Đất và tự khảo sát thực địa tại vị trí của nó."

Việc gửi dữ liệu từ Sao Hỏa về Trái Đất để phân tích và ra các mệnh lệnh điều khiển Ingenuity được gửi trở về, mất chưa đến một ngày. Trên Titan, việc này cần nhiều thời gian hơn nhiều.

Nguồn hình ảnh, NASA/Johns Hopkins APL

Chụp lại hình ảnh,

Xe tự hành kiểu xe tăng với thiết kế đơn giản và mạnh mẽ có thể cần thiết cho công việc thám hiểm các hành tinh có bề mặt khó tiếp cận hơn trong hệ mặt trời của chúng ta

Cuộc thám hiểm trên không tiếp theo có thể là Sao Kim, hành tinh chị em với Trái Đất. Không khí trên Sao Kim đặc hơn 90 lần so với Trái Đất. Nhiệt độ của nó khoảng 475 độ C (900 độ F), và áp suất là 93 bar (1.350 psi), tương đương với mức áp suất 1 dặm dưới mặt biển ở Trái Đất.

"Bầu khí quyển trên Sao Kim rất tệ nhưng cũng rất tuyệt," Dobrea nói. "Có một tầng mây khổng lồ, dày 20km (12 dặm), bắt đầu ở độ cao 50km (30 dặm) phía trên bề mặt hành tinh và dày lên đến 70km (45 dặm) - dày hơn khí quyển Trái Đất và dễ bay qua hơn. Ở độ cao này, một chiếc máy bay năng lượng mặt trời hoàn toàn có thể bay liên tục không ngừng, và điều này có thể thực hiện được với công nghệ hiện có."

Chiếc máy bay nguyên mẫu thứ hai của ông sẽ bay gần hơn với bề mặt. Đó là cả một "thử thách to lớn", ông nói thêm, do sức nóng quá dữ dội, thiếu ánh mặt trời để tạo ra năng lượng, và áp suất.

Máy bay này sử dụng động cơ giống như động cơ Stirling để chuyển đổi sức nóng gần với bề mặt thành năng lượng cho máy bay khi lên đến độ cao lớn hơn và nhiệt độ mát hơn. Đây có thể là một trong vài máy bay được tiếp năng lượng bởi một động cơ như vậy.

Song cũng có một lựa chọn khác - khinh khí cầu.

Khinh khí cầu cũng là chuyến bay đầu tiên của nhân loại đến thế giới ngoài Trái Đất. Vào tháng 6/1985, sứ mệnh Vega của Châu Âu và Xô Viết thả hai khinh khí cầu hình tròn khổng lồ xuống khí quyển Sao Kim. Thiết bị của khinh khí cầu được treo trong phần khung ngay bên dưới.

"Chúng tôi biết rằng hai khinh khí cầu đã được thả, nhưng chúng tôi không biết liệu chúng còn tồn tại nữa hay không," Robert Preston, người đứng đầu dự án của Hoa Kỳ nhằm truy dấu hai quả khí cầu này, nói. "Tất cả những gì chúng tôi thấy trên màn hình máy hiện sóng là nhiễu, và chỉ có sự nhiễu tín hiệu. Sau đó là một tín hiệu yếu ớt."

"Tôi nhớ mình rời phòng điều khiển và nhìn thấy Sao Kim sáng trên bầu trời ban mai và tự nhủ: 'Mình đã ở đó.'"

Các khí cầu Vega trôi ở độ cao khoảng 54 km (33 dặm) để thu thập 46 giờ dữ liệu khí quyển. "Khi xem xét thành công của khí cầu Vega, lời nhận xét chuẩn nhất là chúng đã 'cực kỳ thành công'," Jay Gellentine, sử gia không gian và là tác giả cuốn Những Sứ giả Đến từ Trái Đất: Những Hành trình Thám hiểm Tiên phong với Phi thuyền Tự lái.

"Tôi biết chúng ta sẽ lại có máy bay trên Sao Hỏa một lần nữa trong tương lai," Tzanetos nói, "và với Ingenuity chúng ta đang bổ sung thêm công cụ mới vào hộp đồ nghề. Mọi thứ chúng ta đã học được sẽ giúp các thế hệ kế tiếp thám hiểm không chỉ Sao Hỏa, mà cả những hành tinh thuộc các hệ mặt trời khác."

Nhưng việc đó có thể còn kinh hơn cả một thử thách, khoa học gia Johnathan Sauder từ JPL Technology Infusion Group thuộc NASA cảnh báo.

"Nếu bạn nhìn vào các hành tinh ngoài hệ mặt trời của chúng ta, mọi việc ngoài đó sẽ trở nên thực sự điên rồ. Có những hành tinh chỉ toàn băng đá hoặc có kim loại trong không khí. Có một số hành tinh mà chúng ta không thể đưa bất cứ phương tiện nào đến đó mà không bị phá hủy hoàn toàn, nhưng cũng có những hành tinh khác tương tự như Trái Đất."

Nguồn hình ảnh, NASA/Johns Hopkins APL

Chụp lại hình ảnh,

Xe tự hành Harv sử dụng cơ điện đơn giản nhưng mạnh mẽ giúp nó có thể chịu đựng áp suất và nhiệt độ trong điều kiện môi trường như Sao Kim

Bất kể môi trường khác biệt thế nào, ở bất kỳ hệ mặt trời nào mà nhân loại đang khám phá, các nguyên tắc vật lý vẫn không đổi. "Bài học mà chúng ta học được từ việc vận hành phi cơ tự lái trên các hành tinh khác thuộc hệ mặt trời của chúng ta là nền tảng cho việc nhân loại sẽ bay vào tương lai như thế nào," Tzanetos nói.

Sauder đang thiết kế tàu đổ bộ có thể tồn tại được trên Sao Kim. Cơ chế để tạo ra cỗ máy mà ông lúc ban đầu gọi là Xe Tự hành trong Môi trường Khắc nghiệt (Aree) có thể một ngày nào đó sẽ được tìm thấy trong các tàu đổ bộ thám hiểm Sao Thủy và các tàu thăm dò trôi nổi sâu bên trong các khối khí khổng lồ, cũng như trong các cỗ máy thăm dò bên trong Trái Đất.

"Đối với việc chế tạo tàu đổ bộ cho Sao Kim, môi trường khắc nghiệt ở đây đồng nghĩa với việc rất nhiều bộ phận truyền thống ta hay thiết kế trong phi cơ sẽ không hoạt động," anh nói.

Áp suất đẩy axit trong không khí lọt vào các bộ phận, điều đó có nghĩa phi cơ phải được làm từ thép không rỉ hoặc từ titanium. Nhiệt độ cao sẽ làm chảy các thiết bị điện tử.

Giải pháp của Sauder là gì? "Hãy chế tạo một con robot hoàn toàn bằng cơ khí, một chiếc máy thăm dò hoàn toàn tự động, một siêu xe tự hành kiểu steampunk." Thiết kế ban đầu thậm chí có chân thay vì bánh xe, lấy cảm hứng từ các tác phẩm điêu khắc cơ khí chạy bằng năng lượng gió, hay còn gọi là strandbeets, của nghệ sỹ người Hà Lan Theo Jansen.

Để phát hiện và tránh các chướng ngại vật, tàu đổ bộ sử dụng một hệ thống con lăn và hãm xung động, giống như đồ chơi trẻ em, nhằm giúp tàu lùi lại khi nó va phải chướng ngại vật và tiếp tục di chuyển theo một hướng khác.

"Nó có thể không phải cách hiệu quả nhất, nhưng mạnh mẽ và đáng tin cậy, và sẽ hoạt động được trong môi trường như vậy."

Nguồn hình ảnh, Nasa/Johns Hopkins APL

Chụp lại hình ảnh,

Một vài ý tưởng của NASA dựa trên tác phẩm điêu khắc cơ khí Strandbeest của nghệ sỹ người Hà Lan Theo Jansen

Tuy nhiên, mọi việc lại trở nên quá khó khăn nếu không dùng đến cơ điện. Thay vào đó, cơ điện ở mức cơ bản có thể hoạt động trong nhiệt độ cao được sử dụng để đo lường nhiệt độ và các hợp chất hóa học, sau đó chuyển dữ liệu về tàu quỹ đạo, theo đó, xe tự hành được đổi tên thành xe tự hành bán tự động Sao Kim (Har-V, hay Har-vee).

Vấn đề tiếp theo là năng lượng. Không thể dựa vào năng lượng mặt trời do Sao Kim có những đám mây dày và ban đêm kéo dài suốt 60 ngày. Các kỹ sư NASA quay sang sử dụng sức gió trực tiếp lái hệ thống cơ khí của xe tự hành. Camera và cảm biến hóa học còn khá phức tạp và chưa được phát triển.

Cơ hội để bánh xe Har-V lăn trên Sao Kim có thể khá là hy hữu, song vẫn có khả năng thiết kế của Har-V sẽ ảnh hưởng đến mẫu xe tự hành thành công khác thực hiện được nhiệm vụ này.

"Tôi tự tin rằng một ngày nào đó chúng ta sẽ có xe tự hành trên bề mặt Sao Kim, và các bài học từ cấu trúc HAR-V sẽ có ảnh hưởng đến các thiết kế này," Sauder nói.

Mark Piesing là phóng viên tự do chuyên về hàng không, và là tác giả cuốn N-4 Down: The Hunt for the Artic Airship Italia.