Giấc mơ về các trạm vũ trụ quay tạo ra trọng lực nhân tạo thông qua chuyển động xoay đã thu hút các kỹ sư và người hâm mộ khoa học viễn tưởng trong nhiều thập kỷ. Trong khi những thiết kế trạm vũ trụ hình bánh xe nổi tiếng của Wernher von Braun từ những năm 1950 đã truyền cảm hứng cho vô số bộ phim và cuốn sách, thực tế việc xây dựng những cấu trúc như vậy vẫn còn nằm ngoài tầm với một cách đáng thất vọng. Giờ đây, với hệ thống tên lửa Starship của SpaceX đang gần đạt được trạng thái hoạt động, cộng đồng vũ trụ đang sôi sục với sự phấn khích mới về việc cuối cùng biến những môi trường sống quay này thành hiện thực.
 |
|---|
| Các môi trường sống không gian tương lai, tượng trưng cho giấc mơ về các trạm vũ trụ quay tạo ra trọng lực nhân tạo |
Starship thay đổi cuộc chơi cho các cấu trúc vũ trụ lớn
Đột phá quan trọng mà Starship mang lại là khả năng tải trọng khổng lồ lên quỹ đạo Trái Đất thấp. Không giống như các tên lửa trước đây chỉ có thể mang theo các mô-đun nhỏ đòi hỏi việc lắp ráp phức tạp trong không gian, Starship có khả năng phóng toàn bộ các phần của trạm quay trong một chuyến bay duy nhất. Các cuộc thảo luận cộng đồng nhấn mạnh cách khả năng này có thể tạo ra các cấu trúc lớn hơn nhiều so với Trạm Vũ trụ Quốc tế, với một số đề xuất thiết kế hình bát giác được tạo từ các mô-đun có kích thước Starship được bắt vít với nhau trên quỹ đạo.
Những thách thức kỹ thuật của các trạm quay đã được hiểu rõ. Để tạo ra trọng lực nhân tạo giống Trái Đất mà không gây say tàu xe, bánh xe cần phải đủ lớn để quay chậm. Một bánh xe nhỏ 5 mét sẽ cần quay 17,5 vòng mỗi phút, tạo ra điều kiện khó chịu cho cư dân. Nhưng với khả năng phóng các thành phần khổng lồ của Starship, các kỹ sư có thể xây dựng bánh xe có đường kính 75 mét hoặc lớn hơn, quay với tốc độ thoải mái 2-3 vòng mỗi phút.
Yêu cầu thiết kế trạm quay:
- Đường kính: 75+ mét để quay thoải mái
- Tốc độ quay: 2-3 vòng/phút để giảm thiểu say tàu xe
- Bánh xe nhỏ 5m sẽ cần 17,5 vòng/phút (không thoải mái)
- Bánh xe lớn có thể quay chậm trong khi vẫn duy trì trọng lực giống Trái Đất
 |
|---|
| Mô hình khái niệm của một trạm trọng lực nhân tạo, thể hiện tương lai của các môi trường sống quay trong không gian |
Môi trường sống bơm hơi cho thấy tiềm năng cho các trạm quay
Một phát triển thú vị khác đến từ những tiến bộ trong môi trường sống vũ trụ bơm hơi. Sierra Space đã thử nghiệm các mô-đun bơm hơi ngày càng lớn, với phiên bản mới nhất đạt 285 mét khối và kế hoạch cho các phiên bản 500 mét khối. Những cấu trúc nhẹ này có khả năng được điều chỉnh cho cấu hình quay, mở ra con đường đến môi trường sống quay có thể tích lớn mà không cần yêu cầu cấu trúc khổng lồ của thiết kế cứng.
Khái niệm vòng xuyến bơm hơi ban đầu của Goodyear từ những năm 1960 đang nhận được sự chú ý mới khi những vật liệu và kỹ thuật mới này chứng minh giá trị của chúng. Việc triển khai thành công mô-đun bơm hơi BEAM của NASA trên ISS đã cho thấy rằng những cấu trúc như vậy có thể chịu được môi trường không gian, bao gồm cả va chạm vi thiên thạch từng được coi là lỗ hổng ch致命.
Tiến độ môi trường sống bơm hơi của Sierra Space:
- Thể tích thử nghiệm hiện tại: 285 mét khối
- Kế hoạch thử nghiệm năm 2025: 500 mét khối
- Lộ trình tương lai: các mô-đun 1.400 và 5.000 mét khối
- So sánh mục tiêu: khái niệm bánh xe von Braun 6.000 m³
 |
|---|
| Các thiết kế lịch sử cho trạm vũ trụ quay, nhấn mạnh những tiến bộ trong công nghệ cho các môi trường sống tương lai |
Ứng dụng ngoài quỹ đạo Trái Đất
Cuộc thảo luận mở rộng ra ngoài các trạm quỹ đạo Trái Đất đơn giản. Một số thành viên cộng đồng hình dung việc sử dụng môi trường sống quay như những bước đệm đến việc thuộc địa hóa Sao Hỏa, cung cấp cách thức kiểm tra tác động của trọng lực một phần lên sinh lý con người. Các trạm vũ trụ hiện tại chỉ cho phép nghiên cứu tác động của trọng lực bằng không, nhưng các trạm quay có thể mô phỏng trọng lực Sao Hỏa (38% của Trái Đất) hoặc trọng lực Mặt Trăng (16% của Trái Đất) trong thời gian dài.
Starship lên LEO là bảo thủ về mặt công nghệ -- tôi khó có thể tin rằng một thứ gì đó như thế không thể được tạo ra để hoạt động.
Các ứng dụng tiềm năng còn mở rộng xa hơn vào hệ mặt trời. Các khái niệm tiên tiến bao gồm các cấu trúc quay khổng lồ được xây dựng xung quanh các tiểu hành tinh như Ceres, có thể hỗ trợ dân số lớn hơn Trái Đất trong khi cung cấp quyền truy cập vào nguồn tài nguyên nước và nitơ dồi dào.
Khả năng Mô phỏng Trọng lực:
- Trọng lực Trái Đất: 9.8 m/s²
- Trọng lực sao Hỏa: 38% so với Trái Đất (3.7 m/s²)
- Trọng lực Mặt Trăng: 16% so với Trái Đất (1.6 m/s²)
- Các trạm quay có thể kiểm tra tác động của trọng lực một phần lên sức khỏe con người
Những rào cản kỹ thuật vẫn còn
Bất chấp sự phấn khích, những thách thức kỹ thuật đáng kể vẫn tồn tại. Trung tâm của một trạm quay đặt ra những vấn đề phức tạp cho việc neo đậu tàu vũ trụ và chuyển giao phi hành đoàn. Trạm sẽ cần phải hoàn thành phần lớn trước khi bắt đầu quay, đòi hỏi một nỗ lực xây dựng phối hợp khổng lồ thay vì phương pháp lắp ráp dần dần được sử dụng cho ISS.
Hiệu ứng Coriolis từ chuyển động quay có thể gây say tàu xe và làm cho các hoạt động bình thường trở nên khó khăn cho đến khi cư dân thích nghi. Quay càng nhanh, những hiệu ứng này càng mạnh, củng cố nhu cầu về các trạm có đường kính lớn có thể quay chậm.
Sự quan tâm mới của cộng đồng vũ trụ đối với các trạm trọng lực nhân tạo phản ánh cả tiến bộ công nghệ và sự hiểu biết ngày càng tăng về tác động sức khỏe của việc không trọng lượng lâu dài. Với Starship có khả năng làm cho các cấu trúc vũ trụ lớn trở nên khả thi về mặt kinh tế, bánh xe quay của von Braun cuối cùng có thể chuyển từ khoa học viễn tưởng sang thực tế kỹ thuật.
Tham khảo: Where is my von Braun wheel?