Làm thế nào để chúng ta tạo ra môi trường ngoài không gian trong phòng thí nghiệm?

Từ những năm 1960, khi nhà du hành Yuri Gagarin lần đầu tiên phá vỡ ranh giới của Trái Đất, nhân loại đã có những bước tiến đáng kể trong hành trình khám phá không gian. Kể từ đó, các phi hành gia đã đặt chân đến Mặt Trăng, sinh sống trong các trạm vũ trụ, và tiến hành nhiều nghiên cứu quan trọng.

Thế nhưng, với môi trường khắc nghiệt của không gian, việc chuẩn bị và huấn luyện phi hành gia trong các điều kiện tương tự là điều tất yếu. Đó là lý do các cơ sở mô phỏng môi trường không gian ra đời, nhằm đảm bảo an toàn và hiệu quả cho các sứ mệnh của con người trong vũ trụ.

Tại sao cần mô phỏng môi trường không gian?

Không gian ngoài Trái Đất là một nơi khắc nghiệt mà phần lớn các dạng sống không thể tồn tại. Thiếu hụt trọng lực, áp suất thấp và bức xạ cường độ cao là những thách thức mà con người phải đối mặt khi vượt khỏi quỹ đạo Trái Đất. Vì vậy, để có thể thích ứng và thực hiện tốt các nhiệm vụ ngoài không gian, phi hành gia phải được huấn luyện trong điều kiện tương tự.

Việc tái tạo môi trường không gian trong phòng thí nghiệm giúp các cơ quan vũ trụ chuẩn bị kỹ lưỡng cho các phi hành gia. Những điều kiện được mô phỏng bao gồm vi trọng lực, áp suất cực thấp, nhiệt độ thay đổi đột ngột và cả các tác động của bức xạ điện từ. Những điều này không chỉ quan trọng để huấn luyện con người, mà còn là để thử nghiệm và đảm bảo rằng các thiết bị, vệ tinh và kính viễn vọng có thể hoạt động tốt trong môi trường khắc nghiệt ngoài không gian.

Các trung tâm mô phỏng nổi bật của NASA

Một trong những tổ chức tiên phong trong việc mô phỏng môi trường không gian là NASA. Trung tâm Vũ trụ Johnson và Cơ sở đào tạo Sonny Carter là hai địa điểm nổi bật mà NASA sử dụng để huấn luyện phi hành gia và thử nghiệm các thiết bị.

Trong số đó, Phòng thí nghiệm Nổi Trung tính (NBL) tại Trung tâm Sonny Carter là một cơ sở đặc biệt quan trọng. Tại đây, vi trọng lực được mô phỏng bằng cách cho phép các phi hành gia lơ lửng trong một hồ nước khổng lồ. Sử dụng thiết bị trọng lượng hoặc nổi đặc biệt, các phi hành gia có thể mô phỏng tình trạng không trọng lực, điều này giúp họ quen dần với điều kiện khi thực hiện các chuyến đi bộ ngoài không gian. Dù mô hình này không hoàn toàn giống với trọng lực ngoài không gian (phi hành gia vẫn cảm nhận được trọng lượng của bộ đồ và sức cản từ nước), nhưng độ nổi trung tính vẫn là phương pháp huấn luyện hiệu quả nhất hiện tại.

Ngoài NBL, NASA còn vận hành nhiều cơ sở khác để thử nghiệm các bộ phận của tàu vũ trụ. Các buồng chân không nhiệt tại Trung tâm Vũ trụ Johnson là những nơi mô phỏng môi trường chân không lạnh của không gian để kiểm tra sức chịu đựng của các bộ phận điện tử và cơ khí. Chẳng hạn, Buồng B, một trong những buồng chân không nổi bật, sử dụng monorail (đường ray đơn) trên cao để giảm trọng lượng của các thiết bị và giúp các học viên phi hành gia có thể tập luyện trong điều kiện tương tự không trọng lực.

Các cơ sở mô phỏng điều kiện khắc nghiệt tại Trung tâm Nghiên cứu Glenn

Ngoài Trung tâm Vũ trụ Johnson, Trung tâm Nghiên cứu Glenn của NASA tại Ohio cũng có những thiết lập tiên tiến để mô phỏng các tác động cực đoan của không gian. Tổ hợp Môi trường Không gian (SEC) tại Glenn giúp các nhà khoa học thử nghiệm các tác động như rung động từ âm thanh, bức xạ điện từ và các vấn đề liên quan đến tiếp xúc lâu dài với chân không. Bên trong SEC, các nhà nghiên cứu có thể tái tạo các điều kiện tương tự như không gian bằng cách sử dụng các máy bơm thô và máy bơm turbomolecular để tạo ra môi trường chân không cực kỳ cao.

Một thành phần đặc biệt trong SEC là Cơ sở năng lượng không gian (SPF), nơi tiến hành các thử nghiệm về nhiễu điện từ (EM) và khả năng tương thích điện từ của các thiết bị. Những thử nghiệm này nhằm đảm bảo rằng bức xạ từ các ngôi sao và các nguồn khác không ảnh hưởng đến các thiết bị và dụng cụ được sử dụng trong các sứ mệnh ngoài không gian.

Các chuyến bay parabol của ESA và công nghệ mô phỏng trọng lực thấp

Cơ quan Vũ trụ châu Âu (ESA) cũng sở hữu những cơ sở huấn luyện môi trường không gian tiên tiến. Trung tâm Phi hành gia châu Âu (EAC) ở Đức có hồ bơi sâu 10 mét để huấn luyện phi hành gia cho các chuyến đi bộ ngoài không gian. Ngoài các mô hình không gian trên mặt đất, ESA cũng thực hiện các chuyến bay parabol để tạo điều kiện vi trọng lực.

Chuyến bay parabol là một phương pháp mô phỏng trọng lực thấp bằng cách điều chỉnh quỹ đạo bay của máy bay. Trong quá trình này, máy bay được điều khiển bay theo một quỹ đạo parabol, tạo điều kiện vi trọng lực trong khoảng 20-22 giây. Điều này cho phép các nhà khoa học tiến hành các thí nghiệm liên quan đến vi trọng lực mà không cần sử dụng đến các bể nước hoặc thiết bị nổi. Những chuyến bay này còn được sử dụng trong sản xuất phim, như trong bộ phim "Apollo 13", với mục tiêu tái hiện lại môi trường không trọng lực một cách chân thực nhất.

Khám phá môi trường ngoại hành tinh: Bước tiến quan trọng của khoa học

Ngoài các điều kiện ngoài không gian thông thường, các nhà khoa học hiện nay còn tập trung vào việc mô phỏng môi trường của các ngoại hành tinh để xác định khả năng tồn tại sự sống. Tại Đại học Colorado Boulder, một nhóm nghiên cứu đang nỗ lực tái tạo khí quyển và khí hậu của các hành tinh xa xôi, từ đó giúp chúng ta hiểu rõ hơn về tính khả thi của sự sống ngoài hành tinh.

Thiết bị mô phỏng môi trường ngoại hành tinh được thiết kế để đạt nhiệt độ và áp suất cực cao, mô phỏng các điều kiện khắc nghiệt nhất của các ngoại hành tinh. Thiết bị này có thể đạt nhiệt độ lên tới 1000 Kelvin và áp suất cao gấp hàng trăm lần áp suất khí quyển ở Trái Đất. Bằng cách chiếu các chùm tia laser lược tần số vào khí trong thiết bị, các nhà khoa học có thể phân tích các phản ứng quang phổ để so sánh với dữ liệu của các kính viễn vọng, từ đó xác định thành phần khí quyển và điều kiện khí hậu của những hành tinh đó.