Jinu
Intern Writer
Có bao giờ bạn tự hỏi, làm thế nào để những cỗ máy tinh vi của chúng ta có thể tồn tại và hoạt động bền bỉ trong môi trường khắc nghiệt của không gian, nơi bụi bặm và những va chạm nhỏ có thể trở thành mối đe dọa chết người? Câu trả lời có thể nằm trong một bộ thiết bị thử nghiệm vừa được tàu vận tải Thiên Châu 10 (Tianzhou-10) mang lên Trạm Vũ trụ Trung Quốc vào lúc 8 giờ 14 phút sáng ngày 11 tháng 5 vừa qua.
Chuyến bay này không chỉ đơn thuần là tiếp tế gần 6,2 tấn vật tư, mà còn mang theo một sứ mệnh khoa học đầy tham vọng: phá vỡ giới hạn về khả năng chống mài mòn, bảo vệ và tự phục hồi của vật liệu trong môi trường không gian cực đoan. Đây là thành quả của hơn 20 năm nghiên cứu trong lĩnh vực cơ học không gian của một nhóm các nhà khoa học, và giờ đây, nó sẽ trải qua "kỳ thi lớn" đầu tiên trong không gian thực. Giáo sư Thôi Ngọc Hồng (Cui Yuhong) từ Đại học Thiên Tân, người đứng đầu nhóm nghiên cứu, chia sẻ rằng cả nhóm đang rất hồi hộp theo dõi từng diễn biến.
Bộ thiết bị này sẽ được thử nghiệm trên quỹ đạo trong vòng một năm, và kết quả của nó hứa hẹn sẽ mang đến một phương pháp bảo vệ hoàn toàn mới cho các tàu vũ trụ. Thay vì chỉ "phòng thủ thụ động", các tàu vũ trụ trong tương lai có thể sở hữu khả năng "tái tạo chủ động". Điều này sẽ cung cấp nền tảng công nghệ cốt lõi cho các nhiệm vụ thám hiểm Mặt Trăng, Sao Hỏa và không gian sâu của Trung Quốc trong tương lai.
Vậy, những "rắc rối không gian" nào mà các nhà khoa học muốn giải quyết, và những công nghệ, ý tưởng mới nào sẽ được mang đến cho nhân loại? Mục tiêu chính của thử nghiệm trên quỹ đạo này là đạt được ba điều quan trọng: xác minh khả năng bảo vệ và loại bỏ bụi không gian, kiểm tra khả năng chống mài mòn của vật liệu không gian, và xác minh khả năng tự phục hồi của vật liệu không gian. Nói cách khác, là giúp tàu vũ trụ có thể "tự làm sạch" và "tự chữa lành" trong không gian.
Trên Trái Đất, bụi bẩn và hư hỏng là những vấn đề dễ dàng xử lý. Nhưng trong môi trường không gian khắc nghiệt, không người trông coi, một hạt bụi nhỏ hay một vết xước cũng có thể trở thành mối đe dọa chí mạng. Chúng ta có lẽ vẫn còn nhớ trận bão bụi toàn cầu quét qua Sao Hỏa năm 2018, khiến tấm pin mặt trời của tàu thăm dò "Opportunity" bị phủ một lớp bụi dày, không thể sạc điện và mất liên lạc vĩnh viễn.
Xa hơn nữa, các phi hành gia Apollo khi đổ bộ lên Mặt Trăng đã phát hiện ra bụi Mặt Trăng mịn như bột talc nhưng sắc như thủy tinh. Chúng chui vào thiết bị gây ra nhiệt độ bất thường, bay vào khoang khiến phi hành gia ho không ngừng và mắt bị kích ứng. Còn bộ đồ phi hành gia ngoài không gian, sau nhiều nhiệm vụ, găng tay và các khớp nối luôn xuất hiện những vết mài mòn rõ rệt, không thể sử dụng được nữa.
Chính vì những "rắc rối không gian" thực tế này, nhóm nghiên cứu đã đề xuất ba giải pháp:
Thử nghiệm thứ nhất: Lắp đặt "rèm điện" trên bề mặt thiết bị.
Trong không gian, phi hành gia không thể ngày nào cũng ra ngoài để lau bụi. Vậy làm thế nào để loại bỏ bụi? Các nhà khoa học đã sử dụng một phương pháp gọi là "làm sạch bụi bằng rèm điện". Đơn giản là, bên dưới bề mặt như tấm kính của pin mặt trời, họ đặt một lớp điện cực trong suốt. Khi một điện trường được áp dụng theo một cách cụ thể, một "bậc thang" điện tích di động sẽ hình thành phía trên điện cực. "Bậc thang" mang điện này giống như một chiếc chổi vô hình, đẩy các hạt bụi di chuyển theo một hướng nhất định và cuối cùng "nhảy" ra khỏi bề mặt.
Thiết bị thử nghiệm được trang bị một camera độ phân giải cao, sẽ ghi lại chuyển động của bụi theo thời gian thực. Sau đó, thông qua phân tích hình ảnh, hiệu quả làm sạch bụi sẽ được tính toán – xem có thể quét sạch bao nhiêu bụi. Trong tương lai, nếu thử nghiệm thành công, dù là tấm pin mặt trời của xe tự hành Mặt Trăng hay mái vòm kính của căn cứ Sao Hỏa, đều có thể được phủ hoặc dán một lớp "màng rèm điện" như vậy. Khi cần làm sạch bụi, chỉ cần cấp điện là xong, không cần phi hành gia phải tự mình "tổng vệ sinh" ngoài không gian nữa.
Thử nghiệm thứ hai: Phơi vật liệu trong không gian để "mài mòn".
Nhiệm vụ thứ hai là thực hiện các thử nghiệm mài mòn thực tế trong không gian. Nhóm nghiên cứu sẽ đặt một số mẫu vật liệu vải của bộ đồ phi hành gia và vật liệu thiết bị ngoài khoang trực tiếp ra môi trường cực đoan bên ngoài trạm vũ trụ. Ở đó có sự thay đổi nhiệt độ dữ dội, tia cực tím mạnh và sự ăn mòn của oxy nguyên tử. Sau một năm "phơi nắng phơi gió" và "mài mòn tỉ mỉ", các mẫu này sẽ được phi hành gia thu hồi vào khoang và mang về Trái Đất bằng tàu Thần Châu (Shenzhou).
Sau đó, các nhà khoa học sẽ tiếp tục thực hiện các thử nghiệm kéo cơ học, phản xạ quang học và so sánh với các mẫu trên mặt đất để trả lời chính xác: loại vật liệu nào bền hơn? Chúng có thể "sống" được bao lâu trong không gian? Đây chính là bước "chọn vật liệu" cho các căn cứ Mặt Trăng và hoạt động trên Sao Hỏa trong tương lai. Bộ đồ phi hành gia có thể phải hoạt động liên tục hàng giờ hoặc thậm chí hàng chục giờ, và tuổi thọ của vật liệu ảnh hưởng trực tiếp đến sự an toàn của phi hành gia.
Thử nghiệm thứ ba: Đâm thủng vật liệu, sau đó quan sát nó "tự lành".
Việc để vật liệu tự phục hồi hư hỏng nghe có vẻ giống khoa học viễn tưởng, nhưng nhóm nghiên cứu đã thực sự làm điều đó trong thiết bị thử nghiệm. Bên trong thiết bị có một động cơ tuyến tính, có thể dùng một đầu dò cực nhỏ để đâm xuyên qua vật liệu thử nghiệm theo lệnh. Sau khi bị đâm thủng, vùng hư hỏng của vật liệu, dưới sự kích thích của các yếu tố môi trường như bức xạ tia cực tím trong không gian, chất phục hồi được nhúng sẵn bên trong sẽ nhanh chóng tràn ra vết nứt, xảy ra phản ứng hóa học, "lấp đầy và chữa lành" vết xước. Trong thử nghiệm trên quỹ đạo, hệ thống hình ảnh sẽ liên tục quan sát quá trình phục hồi, ghi lại tốc độ phục hồi và mức độ phục hồi cường độ.
Một khi công nghệ này trưởng thành, bộ đồ phi hành gia, vách ngăn kín khí, thậm chí cả cánh pin mặt trời linh hoạt trong tương lai, đều có thể "tự lành không tiếng động" sau khi xuất hiện những hư hỏng nhỏ, giúp tăng cường đáng kể độ tin cậy và tuổi thọ của tàu vũ trụ.
Từ "phòng thủ thụ động" đến "tái tạo chủ động" là một sự thay đổi triết lý bảo vệ mà nhóm nghiên cứu muốn thúc đẩy. Trước đây, việc bảo vệ tàu vũ trụ dựa vào việc "tăng độ dày" hay "thay vật liệu cứng", thường bó tay trước bụi bẩn và những hư hỏng nhỏ. Còn bây giờ, chúng ta đang làm cho bề mặt vật liệu "sống động" hơn, có thể chủ động loại bỏ chất bẩn, chống mài mòn và tự chữa lành.
Dữ liệu thu được từ ba thử nghiệm này trên quỹ đạo sẽ trực tiếp phục vụ cho các dự án lớn của Trung Quốc trong tương lai như trạm nghiên cứu Mặt Trăng, thu thập mẫu vật từ Sao Hỏa và thậm chí là thăm dò các tiểu hành tinh xa hơn. Nó sẽ giúp các mảng pin mặt trời hoạt động hiệu quả quanh năm, bộ đồ phi hành gia tự phục hồi những vết xước nhỏ, và tuổi thọ của các thiết bị ngoài khoang có thể kéo dài từ vài năm lên đến hàng chục năm.
Quan trọng hơn, tư tưởng bảo vệ "tái tạo chủ động" này còn có tiềm năng ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực khác như thiết bị chính xác, điện tử linh hoạt và thiết bị dưới biển sâu. Trước đó, nhóm nghiên cứu đã hoàn thành các nhiệm vụ nghiên cứu và phát triển hỗ trợ liên quan cho các dự án lớn như Hằng Nga 3 (Chang'e-3), Hằng Nga 5 (Chang'e-5) và Thiên Vấn 1 (Tianwen-1). Trong một năm tới, có lẽ chúng ta sẽ được chứng kiến những hình ảnh từ Trạm Vũ trụ Trung Quốc: dưới ánh nắng mặt trời, một tấm bảng thử nghiệm phủ đầy điện cực, nơi bụi mô phỏng đang trượt gọn gàng về phía rìa; đồng thời, một vết đâm nhỏ đang lặng lẽ "tự lành" dưới bức xạ không gian.
Những thay đổi nhỏ bé này chính là bước tiến quan trọng để nhân loại an toàn tiến vào không gian sâu. Chúng ta ngước nhìn những vì sao, nhưng cũng cần đảm bảo mỗi bước chân mình đi đều vững chắc và thông minh.
Chuyến bay này không chỉ đơn thuần là tiếp tế gần 6,2 tấn vật tư, mà còn mang theo một sứ mệnh khoa học đầy tham vọng: phá vỡ giới hạn về khả năng chống mài mòn, bảo vệ và tự phục hồi của vật liệu trong môi trường không gian cực đoan. Đây là thành quả của hơn 20 năm nghiên cứu trong lĩnh vực cơ học không gian của một nhóm các nhà khoa học, và giờ đây, nó sẽ trải qua "kỳ thi lớn" đầu tiên trong không gian thực. Giáo sư Thôi Ngọc Hồng (Cui Yuhong) từ Đại học Thiên Tân, người đứng đầu nhóm nghiên cứu, chia sẻ rằng cả nhóm đang rất hồi hộp theo dõi từng diễn biến.
Bộ thiết bị này sẽ được thử nghiệm trên quỹ đạo trong vòng một năm, và kết quả của nó hứa hẹn sẽ mang đến một phương pháp bảo vệ hoàn toàn mới cho các tàu vũ trụ. Thay vì chỉ "phòng thủ thụ động", các tàu vũ trụ trong tương lai có thể sở hữu khả năng "tái tạo chủ động". Điều này sẽ cung cấp nền tảng công nghệ cốt lõi cho các nhiệm vụ thám hiểm Mặt Trăng, Sao Hỏa và không gian sâu của Trung Quốc trong tương lai.
Vậy, những "rắc rối không gian" nào mà các nhà khoa học muốn giải quyết, và những công nghệ, ý tưởng mới nào sẽ được mang đến cho nhân loại? Mục tiêu chính của thử nghiệm trên quỹ đạo này là đạt được ba điều quan trọng: xác minh khả năng bảo vệ và loại bỏ bụi không gian, kiểm tra khả năng chống mài mòn của vật liệu không gian, và xác minh khả năng tự phục hồi của vật liệu không gian. Nói cách khác, là giúp tàu vũ trụ có thể "tự làm sạch" và "tự chữa lành" trong không gian.
Trên Trái Đất, bụi bẩn và hư hỏng là những vấn đề dễ dàng xử lý. Nhưng trong môi trường không gian khắc nghiệt, không người trông coi, một hạt bụi nhỏ hay một vết xước cũng có thể trở thành mối đe dọa chí mạng. Chúng ta có lẽ vẫn còn nhớ trận bão bụi toàn cầu quét qua Sao Hỏa năm 2018, khiến tấm pin mặt trời của tàu thăm dò "Opportunity" bị phủ một lớp bụi dày, không thể sạc điện và mất liên lạc vĩnh viễn.
Xa hơn nữa, các phi hành gia Apollo khi đổ bộ lên Mặt Trăng đã phát hiện ra bụi Mặt Trăng mịn như bột talc nhưng sắc như thủy tinh. Chúng chui vào thiết bị gây ra nhiệt độ bất thường, bay vào khoang khiến phi hành gia ho không ngừng và mắt bị kích ứng. Còn bộ đồ phi hành gia ngoài không gian, sau nhiều nhiệm vụ, găng tay và các khớp nối luôn xuất hiện những vết mài mòn rõ rệt, không thể sử dụng được nữa.
Chính vì những "rắc rối không gian" thực tế này, nhóm nghiên cứu đã đề xuất ba giải pháp:
Thử nghiệm thứ nhất: Lắp đặt "rèm điện" trên bề mặt thiết bị.
Trong không gian, phi hành gia không thể ngày nào cũng ra ngoài để lau bụi. Vậy làm thế nào để loại bỏ bụi? Các nhà khoa học đã sử dụng một phương pháp gọi là "làm sạch bụi bằng rèm điện". Đơn giản là, bên dưới bề mặt như tấm kính của pin mặt trời, họ đặt một lớp điện cực trong suốt. Khi một điện trường được áp dụng theo một cách cụ thể, một "bậc thang" điện tích di động sẽ hình thành phía trên điện cực. "Bậc thang" mang điện này giống như một chiếc chổi vô hình, đẩy các hạt bụi di chuyển theo một hướng nhất định và cuối cùng "nhảy" ra khỏi bề mặt.
Thiết bị thử nghiệm được trang bị một camera độ phân giải cao, sẽ ghi lại chuyển động của bụi theo thời gian thực. Sau đó, thông qua phân tích hình ảnh, hiệu quả làm sạch bụi sẽ được tính toán – xem có thể quét sạch bao nhiêu bụi. Trong tương lai, nếu thử nghiệm thành công, dù là tấm pin mặt trời của xe tự hành Mặt Trăng hay mái vòm kính của căn cứ Sao Hỏa, đều có thể được phủ hoặc dán một lớp "màng rèm điện" như vậy. Khi cần làm sạch bụi, chỉ cần cấp điện là xong, không cần phi hành gia phải tự mình "tổng vệ sinh" ngoài không gian nữa.
Thử nghiệm thứ hai: Phơi vật liệu trong không gian để "mài mòn".
Nhiệm vụ thứ hai là thực hiện các thử nghiệm mài mòn thực tế trong không gian. Nhóm nghiên cứu sẽ đặt một số mẫu vật liệu vải của bộ đồ phi hành gia và vật liệu thiết bị ngoài khoang trực tiếp ra môi trường cực đoan bên ngoài trạm vũ trụ. Ở đó có sự thay đổi nhiệt độ dữ dội, tia cực tím mạnh và sự ăn mòn của oxy nguyên tử. Sau một năm "phơi nắng phơi gió" và "mài mòn tỉ mỉ", các mẫu này sẽ được phi hành gia thu hồi vào khoang và mang về Trái Đất bằng tàu Thần Châu (Shenzhou).
Sau đó, các nhà khoa học sẽ tiếp tục thực hiện các thử nghiệm kéo cơ học, phản xạ quang học và so sánh với các mẫu trên mặt đất để trả lời chính xác: loại vật liệu nào bền hơn? Chúng có thể "sống" được bao lâu trong không gian? Đây chính là bước "chọn vật liệu" cho các căn cứ Mặt Trăng và hoạt động trên Sao Hỏa trong tương lai. Bộ đồ phi hành gia có thể phải hoạt động liên tục hàng giờ hoặc thậm chí hàng chục giờ, và tuổi thọ của vật liệu ảnh hưởng trực tiếp đến sự an toàn của phi hành gia.
Thử nghiệm thứ ba: Đâm thủng vật liệu, sau đó quan sát nó "tự lành".
Việc để vật liệu tự phục hồi hư hỏng nghe có vẻ giống khoa học viễn tưởng, nhưng nhóm nghiên cứu đã thực sự làm điều đó trong thiết bị thử nghiệm. Bên trong thiết bị có một động cơ tuyến tính, có thể dùng một đầu dò cực nhỏ để đâm xuyên qua vật liệu thử nghiệm theo lệnh. Sau khi bị đâm thủng, vùng hư hỏng của vật liệu, dưới sự kích thích của các yếu tố môi trường như bức xạ tia cực tím trong không gian, chất phục hồi được nhúng sẵn bên trong sẽ nhanh chóng tràn ra vết nứt, xảy ra phản ứng hóa học, "lấp đầy và chữa lành" vết xước. Trong thử nghiệm trên quỹ đạo, hệ thống hình ảnh sẽ liên tục quan sát quá trình phục hồi, ghi lại tốc độ phục hồi và mức độ phục hồi cường độ.
Một khi công nghệ này trưởng thành, bộ đồ phi hành gia, vách ngăn kín khí, thậm chí cả cánh pin mặt trời linh hoạt trong tương lai, đều có thể "tự lành không tiếng động" sau khi xuất hiện những hư hỏng nhỏ, giúp tăng cường đáng kể độ tin cậy và tuổi thọ của tàu vũ trụ.
Từ "phòng thủ thụ động" đến "tái tạo chủ động" là một sự thay đổi triết lý bảo vệ mà nhóm nghiên cứu muốn thúc đẩy. Trước đây, việc bảo vệ tàu vũ trụ dựa vào việc "tăng độ dày" hay "thay vật liệu cứng", thường bó tay trước bụi bẩn và những hư hỏng nhỏ. Còn bây giờ, chúng ta đang làm cho bề mặt vật liệu "sống động" hơn, có thể chủ động loại bỏ chất bẩn, chống mài mòn và tự chữa lành.
Dữ liệu thu được từ ba thử nghiệm này trên quỹ đạo sẽ trực tiếp phục vụ cho các dự án lớn của Trung Quốc trong tương lai như trạm nghiên cứu Mặt Trăng, thu thập mẫu vật từ Sao Hỏa và thậm chí là thăm dò các tiểu hành tinh xa hơn. Nó sẽ giúp các mảng pin mặt trời hoạt động hiệu quả quanh năm, bộ đồ phi hành gia tự phục hồi những vết xước nhỏ, và tuổi thọ của các thiết bị ngoài khoang có thể kéo dài từ vài năm lên đến hàng chục năm.
Quan trọng hơn, tư tưởng bảo vệ "tái tạo chủ động" này còn có tiềm năng ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực khác như thiết bị chính xác, điện tử linh hoạt và thiết bị dưới biển sâu. Trước đó, nhóm nghiên cứu đã hoàn thành các nhiệm vụ nghiên cứu và phát triển hỗ trợ liên quan cho các dự án lớn như Hằng Nga 3 (Chang'e-3), Hằng Nga 5 (Chang'e-5) và Thiên Vấn 1 (Tianwen-1). Trong một năm tới, có lẽ chúng ta sẽ được chứng kiến những hình ảnh từ Trạm Vũ trụ Trung Quốc: dưới ánh nắng mặt trời, một tấm bảng thử nghiệm phủ đầy điện cực, nơi bụi mô phỏng đang trượt gọn gàng về phía rìa; đồng thời, một vết đâm nhỏ đang lặng lẽ "tự lành" dưới bức xạ không gian.
Những thay đổi nhỏ bé này chính là bước tiến quan trọng để nhân loại an toàn tiến vào không gian sâu. Chúng ta ngước nhìn những vì sao, nhưng cũng cần đảm bảo mỗi bước chân mình đi đều vững chắc và thông minh.
