Cánh tay robot bắt tên lửa và hành trình xây nhà trên Sao Hỏa của nhân loại

Ngày 27/9/2016, tại một hội nghị khoa học ở Guadalajara, Mexico, Elon Musk, được biết đến là CEO của SpaceX, đưa ra tuyên bố khiến nhiều người tham dự cảm thấy sốc.

Ông cho rằng, trong vòng 6 năm, con người sẽ đặt chân lên Sao Hỏa và thành lập một thành phố tại nơi đây. Khi ấy, tên lửa hạng nặng để đưa con người lên Sao Hỏa vẫn còn ở giai đoạn ý tưởng.

Nhiều người khi đó gọi ông là kẻ khoác lác. Số còn lại xem đây chỉ là lời khoe khoang hão huyền, thậm chí ảo mộng về những công nghệ mà SpaceX có thể đạt được.

Ngay cả những người mộng mơ nhất, cũng biết rằng tới thời điểm hiện nay, chúng ta vẫn chưa thể đặt chân lên Sao Hỏa như những gì đã được Elon Musk dự đoán.

Nhưng, điều đó không biến ông thành kẻ bịa chuyện. Trái lại, trước những thành tựu liên tiếp mà SpaceX đạt được trong lĩnh vực hàng không vũ trụ, chúng ta ngày càng có thêm cơ sở vững chắc để tin rằng, giấc mơ chinh phục Hành tinh Đỏ đang ở rất gần.

"Chúng ta sẽ xây dựng một thành phố trên Sao Hỏa", Elon Musk cho biết trong một dòng trạng thái trên mạng xã hội X. Dường như sự tự tin trong ông chẳng hề mảy may suy chuyển.

Starship - siêu tên lửa có thể thay đổi cục diện của nhân loại

Nói về thành công của SpaceX, không thể không nhắc tới Starship- công nghệ giúp chúng ta thấy được bộ mặt hiện tại và tương lai của ngành hàng không vũ trụ.

Thế nhưng ngay cả trước khi Starship được hé lộ, ý tưởng của Elon Musk về việc tái sử dụng và tối ưu chi phí cho những lần phóng tên lửa mới thật sự là cuộc cách mạng trong ngành hàng không vũ trụ.

Chúng ta vẫn biết tàu vũ trụ được phóng lên khỏi mặt đất bởi các tầng tên lửa đẩy (hay tầng booster). Mỗi khi đạt đến độ cao và vận tốc nhất định, các tầng đẩy sẽ tự ngắt, và rơi xuống Trái Đất.

Chúng dĩ nhiên không thể sử dụng lại, do quá trình thâm nhập bầu khí quyển Trái Đất tạo nhiệt lượng rất lớn, dẫn đến phần lớn mặt ngoài bị hư hại. Đó là chưa kể tới quá trình tiếp đất, thường sẽ khiến cấu tạo bên trong tầng đẩy tên lửa bị phá hủy nghiêm trọng.

Vì lý do này, NASA chủ động đáp tầng đẩy tên lửa xuống đại dương, nhằm giảm thiểu thiệt hại, nhưng vẫn không thay đổi được thực tế rằng, những gì rơi xuống từ bầu trời chỉ còn là sắt vụn.

Elon Musk tái định nghĩa điều này, khi ông khai mở ý tưởng về tên lửa tái sử dụng. Tức là, tên lửa sẽ được thiết kế để có thể thu hồi và phóng lại nhiều lần.

Không cần tới Elon Musk với đầu óc của một doanh nhân, bất cứ ai cũng có thể thấy được những lợi ích về mặt kinh tế của thay đổi mang tính đột phá này.

Việc dùng tên lửa tái sử dụng được chứng minh là có thể rẻ tới 2/3 so với tên lửa truyền thống, bao gồm tất cả các hoạt động như phóng vệ tinh, tiếp tế cho Trạm vũ trụ quốc tế (ISS), và các sứ mệnh lên Mặt Trăng, Sao Hỏa.

Cụ thể, vào năm 2018, Elon Musk từng đề cập rằng tên lửa đẩy Falcon 9 là bộ phận đắt nhất trong toàn bộ hệ thống phóng, khi chiếm 60% chi phí, trong khi vỏ bọc tải trọng chiếm 10%.

Như vậy, việc tái sử dụng cả hai giúp SpaceX tiết kiệm được 65-70% chi phí, và mang lại khả năng tái sử dụng tên lửa chỉ sau vài ngày. Điều này một lần nữa, giúp giảm thêm chi phí đến từ tần suất triển khai các sứ mệnh.

Năm 2020, Elon Musk tiết lộ chi phí phóng của một tên lửa Falcon 9 được tái sử dụng chỉ vào khoảng 15 triệu USD, rẻ hơn rất nhiều so với hàng trăm triệu USD đối với chi phí để phóng một tàu con thoi lên khỏi mặt đất.

Tỉ phú người Mỹ cho biết, việc có thể tái sử dụng tên lửa sẽ biến ý tưởng thực hiện các chuyến bay đến thăm, hoặc thậm chí sống trên các hành tinh khác, cụ thể là Sao Hỏa, trở nên gần hơn với thực tế.

Tuy vậy, tên lửa Starship còn đột phá hơn nữa, khi cho phép tái sử dụng không chỉ tầng đẩy, mà cả động cơ tên lửa- bộ phận vốn chỉ có thể "vứt bỏ" sau mỗi lần triển khai sứ mệnh.

Để làm được điều này, SpaceX đã tái phát minh lại động cơ tên lửa.

Tái phát minh động cơ tên lửa

Với dự án tên lửa Starship đầy tham vọng, Elon Musk ban đầu đặt ra 3 tiêu chí cho các kỹ sư đầy tài năng mà ông sở hữu.

Một, là tạo ra thứ động cơ tên lửa phức tạp nhất mà con người từng biết đến. Hai, là cung cấp cho nó lực đẩy trên khối lượng lớn nhất mà bất kỳ động cơ nào đang sở hữu. Ba, là sử dụng nguồn nhiên liệu mới mà chưa ai từng sử dụng trước đây.

Kỳ lạ thay, cả 3 tiêu chí này cũng chính là những điểm nhấn quan trọng, đã tạo nên động cơ Raptor mạnh mẽ, được dùng cho tên lửa Starship. Nó đột phá hơn hết thảy những công nghệ mà chúng ta từng đầu tư vào ngành khoa học vũ trụ.

Bắt đầu với nguồn nhiên liệu, động cơ Raptor sử dụng khí đốt mê tan, khác với các tên lửa truyền thống sử dụng dầu hỏa cho quá trình đốt trong.

Cải tiến này giúp toàn bộ khối nhiên liệu dễ dàng đốt cháy mà không để lại các sản phẩm phụ dưới dạng chất rắn như nguồn nhiên liệu truyền thống, tạm gọi là các "cặn carbon".

Điều này tưởng nhỏ, nhưng lại vô cùng quan trọng, vì nó ảnh hưởng trực tiếp tới mục đích tái sử dụng của tên lửa.

Được biết, khi "cặn carbon" sinh ra do quá trình đốt cháy nhiên liệu trong động cơ, chúng bám chặt vào thành trong của động cơ, lâu dần gây ra sự tích tụ, khiến việc vận hành, cũng như loại bỏ chúng gặp nhiều khó khăn.

Bằng việc thay đổi nguồn nhiên liệu, động cơ Raptor giải được bài toán đầu tiên để hướng về mục tiêu tái sử dụng. Tất nhiên, cùng với đó là hàng loạt thay đổi phức tạp về chu trình đốt trong và thiết kế động cơ, giúp nó hoạt động trơn tru và đảm bảo công suất.

Raptor là động cơ tên lửa thứ 3 trong lịch sử được thiết kế với chu trình nhiên liệu đốt cháy theo giai đoạn toàn phần (FFSC), và là động cơ đầu tiên cung cấp năng lượng cho một phương tiện đang bay.

Mỗi động cơ Raptor ở áp suất bề mặt nước biển có lực đẩy về mặt lý thuyết là 1.700 kN, tạo ra xung lực 3.490 mét/giây trong môi trường chân không.

Điều này khiến Starship, với 33 động cơ Raptor được trang bị, trở thành tên lửa mạnh nhất trong lịch sử nhân loại, có khả năng tạo ra lực đẩy gần 8.000 tấn khi phóng.

Con số này lớn gấp đôi so với tên lửa Saturn 5, phương tiện từng đưa con người lên Mặt Trăng. Ngay cả tên lửa cùng hệ thống phóng không gian SLS của NASA cũng bị lu mờ trước sức mạnh của Starship. Điều này cho thấy bước tiến vượt bậc trong công nghệ vũ trụ mà SpaceX đã chạm tới.

Tại một hội nghị khoa học vào năm 2023, Elon Musk từng tuyên bố rằng động cơ Raptor đạt hiệu suất tối đa 99% từ các phản ứng đốt trong, cũng là mức tối đa mà giới hạn vật lý cho phép.

Ông nói đùa rằng: "Giờ đây có lẽ chỉ Chúa mới có thể kết hợp các phân tử tốt hơn buồng đốt trong của động cơ Raptor".

Người lắp ghép vĩ đại

Phía sau những cải tiến đột phá trên Starship là một loạt những cải tiến về thiết kế mô đun, cấu tạo, cách thức vận hành... đòi hỏi một tiềm lực tài chính rất vững mạnh, đủ để chi trả cho các hoạt động thử nghiệm có thể "ngốn" hàng tỉ USD.

Rất may mắn, đây lại là điều mà Elon Musk "có thừa" từ hoạt động kinh doanh "như diều gặp gió" của ông trong mảng xe điện. Bằng tiền túi của mình, Elon Musk sẵn sàng "bơm" cho các dự án đầy tham vọng của SpaceX, biến chúng từ ý tưởng, dần trở thành hiện thực.

Thế nhưng khi nhìn lại, tỷ phú người Mỹ không hề cố gắng "phát minh lại bánh xe". Thay vào đó, ông giống như lắp ráp các ý tưởng lại với nhau, và biến nó thành một "chiếc xe" hoàn chỉnh.

Tên lửa Starship lấy cảm hứng lớn từ Saturn V, bao gồm cả thiết kế và cấu tạo. Đây là tên lửa vũ trụ từng được NASA triển khai nhiều lần trong các sứ mệnh Apollo.

Chu trình nhiên liệu đốt cháy theo giai đoạn toàn phần của động cơ Raptor cũng không phải là mới, khi từng được thiết kế nhiều năm trước đây. Nó chỉ đơn giản là chưa được áp dụng vào mô hình thực tế.

Thậm chí, Elon Musk cũng không phải người đầu tiên trong lịch sử có suy nghĩ về việc tái sử dụng tên lửa.

Theo Science, nhà khoa học người Đức Von Braun mới là người đầu tiên mang theo ý tưởng tái sử dụng tầng đầu tiên của tên lửa Saturn V, để rồi "xếp xó" vì hạn chế công nghệ và chi phí.

Elon Musk thông qua SpaceX, là người đầu tiên kết hợp những ý tưởng đột phá của nhân loại, lắp ráp chúng lại với nhau và tạo ra điều kì diệu.

Mới đây, SpaceX lần đầu tiên thành công thu hồi tầng đẩy Super Heavy nặng xấp xỉ 250 tấn của tên lửa Starship tại bệ phóng với độ chính xác gần như tuyệt đối trong mọi khâu của hành trình.

Nhiều người khi quan sát đã vô cùng sửng sốt khi SpaceX có thể thành công làm được điều như vậy mà chỉ cần tới một lần thử duy nhất.

Thế nhưng với Elon Musk, có lẽ điều này chẳng mấy bất ngờ. Bill Gerstenmaier, Phó Chủ tịch SpaceX, từng cho biết, hệ thống hạ cánh tên lửa trên biển của Starship vốn dĩ đạt độ chính xác gần như tuyệt đối, với độ sai lệch chỉ dao động trong khoảng 0,5 cm.

Một thất bại nếu như xảy đến, có lẽ cũng chẳng khiến Elon Musk bận tâm. Đơn giản, vì ông đã coi thất bại là một phần của cuộc sống. Nó thậm chí là điều hiển nhiên khi Musk dấn thân vào một trong những lĩnh vực khoa học phức tạp nhất trong lịch sử nhân loại.

"Tôi chưa bao giờ mơ về thành công", tỉ phú người Mỹ cho biết "Tôi chỉ nỗ lực vì nó. Để rồi tới một lúc nào đó, thất bại là điều không thể tránh khỏi, nhưng thành công thì không".