Rác không gian sẽ trở thành nguồn nhiên liệu cho vệ tinh trong tương lai?
Không gian ngày càng trở nên đông đúc — con người đã đưa hơn 20.000 vệ tinh vào quỹ đạo kể từ khi bắt đầu kỷ nguyên không gian, và dự kiến sẽ phóng hàng nghìn vệ tinh nữa trong những năm tới.
Một số trong số đó đã cháy trong khí quyển hoặc rơi trở lại Trái Đất, chủ yếu là xuống đại dương, nhưng hiện tại, hơn 13.000 vệ tinh vẫn còn đang bay trên bầu trời. Khoảng một phần năm trong số đó đã không còn hoạt động, chỉ đơn giản là trôi nổi như rác không gian. Trong vài thập kỷ qua, hàng trăm vệ tinh đã chết đã va chạm và tạo ra hàng triệu mảnh vỡ nhỏ.
Điều này tạo ra nguy cơ va chạm đối với các vệ tinh hoạt động và Trạm Vũ trụ Quốc tế — một vấn đề nghiêm trọng đến mức các mạng lưới giám sát toàn cầu phải theo dõi hàng nghìn vật thể lớn, để di chuyển tàu vũ trụ ra khỏi đường đi khi cần thiết.
Với mối đe dọa ngày càng tăng từ rác không gian, một giải pháp cần thiết là tăng khả năng cơ động trong quỹ đạo và giảm lượng rác thải. Công ty khởi nghiệp Magdrive của Anh cho biết họ có thể giúp giải quyết cả hai vấn đề này thông qua một hệ thống động lực học mới cho tàu vũ trụ, dự kiến sẽ được phóng lên không gian lần đầu vào cuối năm nay và sẽ sử dụng năng lượng từ kim loại rắn.
“Chúng tôi muốn tạo ra một công nghệ có thể thay đổi cuộc chơi trong ngành công nghiệp không gian và giúp nhân loại tiến gần hơn tới mục tiêu trở thành một nền văn minh không gian,” Mark Stokes, người đồng sáng lập Magdrive vào năm 2019, chia sẻ. Ông cho biết hệ thống động lực học bằng kim loại rắn sẽ giúp vệ tinh cơ động gấp 10 lần, đồng thời giảm khối lượng cần cho động lực học xuống 10 lần.
Magdrive hiện đang phát triển ba phiên bản động cơ không gian và, vì chúng hoạt động bằng kim loại rắn, chúng có thể một ngày nào đó được cung cấp năng lượng từ chính rác vũ trụ thu thập trực tiếp trong quỹ đạo, biến chúng từ mối đe dọa thành nguồn nhiên liệu.
“Lợi ích của cả hai thế giới”
Vệ tinh cần hệ thống động lực học vì nhiều lý do, bao gồm thay đổi quỹ đạo, bù đắp lực cản của khí quyển có thể làm mất ổn định quỹ đạo, tránh va chạm với rác không gian, và cuối cùng là tự hạ quỹ đạo.
Hiện tại, phần lớn các hệ thống động lực học của vệ tinh đều sử dụng hóa học hoặc điện, nhưng theo Stokes, cả hai đều có nhược điểm: “Động lực học hóa học có lực đẩy rất mạnh, nhưng hiệu suất rất kém,” ông nói. “Ngược lại, các hệ thống động lực học điện hiện nay có lực đẩy thấp, nhưng hiệu suất lại rất cao.”
Theo Stokes, các tham vọng lớn nhất của nhân loại trong ngành kinh tế không gian, bao gồm khai thác tiểu hành tinh, các chòm sao vệ tinh khổng lồ và xây dựng trạm vũ trụ, hiện tại vẫn còn ngoài tầm với vì các hệ thống động lực học này phải đánh đổi giữa sức mạnh và hiệu suất, một quyết định phải được đưa ra từ trước khi vệ tinh được phóng.
“Chúng tôi đang xây dựng hệ thống đầu tiên có thể cung cấp ‘lợi ích của cả hai thế giới’,” ông nói. “Nó là động lực học điện, nhưng có sự cải thiện vượt bậc về lực đẩy, cùng với sự giảm thiểu đáng kể về thể tích và khối lượng.”
Phiên bản đầu tiên của hệ thống Magdrive — có tên là Warlock — dự kiến sẽ được phóng lên quỹ đạo vào tháng 6 năm 2025. Hệ thống này hoạt động bằng cách sử dụng năng lượng từ các tấm pin mặt trời, giống như các hệ thống động lực học điện hiện tại. Tuy nhiên, thay vì sử dụng năng lượng để ion hóa hoặc kích nổ khí nén (thường là hóa chất độc hại như hydrazine), Magdrive sử dụng năng lượng để ion hóa kim loại rắn.
“Điều này có rất nhiều ưu điểm, như bạn có thể tưởng tượng,” Stokes nói. Kim loại có mật độ rất cao, nghĩa là nó chiếm ít không gian hơn so với một bình chứa khí nén. Điều này giúp các nhà sản xuất vệ tinh dễ dàng hơn trong quá trình sản xuất, vì các bình chứa khí nén có thể rất khó xử lý và có thể gây nổ nếu bị vỡ, trong khi kim loại rắn lại an toàn và không bị phân hủy theo thời gian. Hiện tại, Magdrive đang sử dụng đồng vì nó rẻ và dễ tìm, mặc dù bất kỳ kim loại nào cũng có thể làm được công việc này.
Khi được kích nổ, kim loại sẽ chuyển hóa thành plasma rất nóng và đặc, hoặc khí ion hóa. “Khi đó, bạn sẽ có plasma đồng năng lượng cao thoát ra từ phía sau động cơ,” Stokes tiếp tục, tạo ra lực đẩy giúp động cơ di chuyển theo hướng ngược lại.
Nhiên liệu từ rác không gian?
Hiện tại, hệ thống này vẫn chưa thể tái nạp nhiên liệu. Tuy nhiên, trong tương lai xa, Stokes tin rằng hệ thống có thể tận dụng rác không gian hiện có, bằng cách thu thập các vệ tinh hỏng để lấy kim loại làm nhiên liệu — mặc dù kế hoạch này vẫn chỉ là ý tưởng. “Lợi ích của phương pháp này là chúng ta có thể hoàn thiện chu trình của nền kinh tế không gian mới bằng cách sử dụng tài nguyên sẵn có,” Stokes chia sẻ.
Điều này sẽ khiến Magdrive, theo Stokes, trở thành hệ thống động lực duy nhất không cần mang theo nhiên liệu mỗi lần phóng. “Hiện nay, mỗi vệ tinh đều phải mang theo nhiên liệu từ Trái Đất, và điều đó giống như việc xây dựng một chiếc tàu mới mỗi khi bạn rời ga,” ông nói.
Công ty đang hướng đến việc triển khai thương mại lần đầu vào năm tới, với mục tiêu phục vụ các khách hàng có nhu cầu đa dạng: “Chúng tôi đang phát triển một thiết bị phần cứng tiêu chuẩn có thể lắp đặt trên bất kỳ vệ tinh nào — vì vậy hầu hết mọi người trong ngành không gian đều có thể sử dụng,” Stokes giải thích. “Điều này bao gồm nhiều ứng dụng khác nhau, từ quan sát Trái Đất đến bảo dưỡng vệ tinh và truyền thông,” ông cho biết, và có thể sử dụng cho các vệ tinh có trọng lượng từ 10 kilogram (22 pounds) đến 400 kilogram (880 pounds).
Những thử thách lớn khi sử dụng nhiên liệu kim loại rắn
Theo MinKwan Kim, phó giáo sư ngành thiên văn học tại Đại học Southampton, Anh, người đã tham gia vào các dự án nghiên cứu hợp tác với Magdrive, việc sử dụng nhiên liệu kim loại rắn mang lại sự đơn giản trong việc lưu trữ và xử lý so với các loại nhiên liệu khí hoặc lỏng. Điều này cho phép thiết kế tối giản và dễ dàng sản xuất hàng loạt, mở ra cơ hội cho các chòm sao vệ tinh khổng lồ trong tương lai, yêu cầu sản xuất vệ tinh quy mô lớn.
“Tuy nhiên, việc sử dụng nhiên liệu kim loại lại đối mặt với một thử thách lớn: ô nhiễm bề mặt, đặc biệt đối với các tấm pin mặt trời và hệ thống quang học,” ông giải thích. Do plasma kim loại được tạo ra trong quá trình vận hành, nó có thể dễ dàng bám vào các bề mặt và ảnh hưởng đến hiệu suất hoạt động của tàu vũ trụ.
Stokes cho biết trong hệ thống Magdrive, nhiên liệu kim loại sẽ được tiêu thụ hoàn toàn trong phản ứng, nhưng sau đó tái kết hợp thành một dạng vật liệu trơ phân tán, mà theo ông, chỉ mang một rủi ro nhỏ trong việc gây ô nhiễm các bề mặt xung quanh, nhờ vào tốc độ thoát của các hạt — "không cần quá lo lắng về việc chúng bám vào các thành phần khác hoặc vệ tinh khác."
Một thách thức khác, theo Kim, là đảm bảo việc tạo lực đẩy ổn định và liên tục, đặc biệt khi thực hiện các thao tác điều khiển chính xác. Các chu trình làm nóng và làm mát mà nhiên liệu kim loại trải qua khi tạo lực đẩy có thể làm thay đổi cấu trúc tinh thể nguyên tử của nó, ảnh hưởng đến hiệu suất của nhiên liệu. Để duy trì một lực đẩy đồng đều, cần có một hệ thống giám sát và điều khiển chính xác, điều này sẽ làm tăng độ phức tạp của hệ thống. Còn về việc sử dụng rác không gian làm nhiên liệu, Kim cho biết đây là điều khả thi về lý thuyết, nhưng sẽ gặp phải nhiều vấn đề kỹ thuật và quy định. Thử thách đầu tiên là mặc dù rác không gian có thể được coi là tài nguyên miễn phí, nhưng Hiệp ước Vũ trụ của Liên Hợp Quốc (OST) quy định rằng quyền sở hữu các vật thể được phóng vào không gian không thay đổi, ngay cả khi chúng trở thành rác. Điều này có nghĩa là cần phải có sự cho phép của chủ sở hữu ban đầu trước khi tái chế một vệ tinh. Thêm vào đó, một số vệ tinh chứa dữ liệu nhạy cảm hoặc công nghệ độc quyền, khiến chủ sở hữu không muốn chia sẻ quyền truy cập. Cuối cùng, quốc gia phóng vệ tinh sẽ chịu trách nhiệm cho bất kỳ sự cố nào do vệ tinh tái chế gây ra, tạo thêm một lớp phức tạp pháp lý.
Còn về những vấn đề thực tế, Kim giải thích: “Các vệ tinh đã hết hạn sử dụng không thể kiểm soát và thường xuyên xoay vòng, khiến việc thu hồi chúng trở nên cực kỳ khó khăn. Việc bắt và bảo vệ các vệ tinh này đòi hỏi các thao tác điều khiển phức tạp, một công nghệ hiện vẫn đang ở giai đoạn đầu.” Ông cũng nhấn mạnh rằng các vệ tinh này không chỉ làm từ kim loại mà còn chứa các vật liệu như silicon và polymer, điều này là vấn đề lớn vì chất lượng và độ tinh khiết của nhiên liệu kim loại ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất lực đẩy. Nếu không kiểm soát chặt chẽ thành phần kim loại thu thập được, việc tạo ra lực đẩy ổn định và chính xác sẽ gặp rất nhiều khó khăn.
“Do đó, mặc dù kim loại thu được từ rác không gian có thể hữu ích trong các thao tác ít chính xác như hạ quỹ đạo, nhưng sẽ rất khó để nó trở thành giải pháp cho động lực học chính xác cao.”
Jacopo Prisco là biên tập viên tại CNN. Bài viết được đăng tải trên CNN ngày 18/03/2025.
CNN cung cấp tin tức và video từ khắp nơi trên thế giới, bao gồm các khu vực như châu Âu, châu Á, châu Phi, Trung Đông và châu Mỹ.
Biên dịch: Hà Linh
