HỎI. Liệu có đủ năng lượng để di chuyển toàn bộ dân số thế giới hiện nay ra khỏi Trái đất?
— Adam
ĐÁP. Có vô số những bộ phim khoa học viễn tưởng nói về chuyện rời bỏ Trái đất của loài người do Trái đất ô nhiễm, dân số quá tải hoặc do chiến tranh hạt nhân.
Nhung đưa người vào không gian thực sự là việc làm khó khăn. Ngoại trừ một sự suy giảm dân số hàng loạt, còn thì liệu rằng đưa toàn bộ loài người ra ngoài không gian có khả dĩ về mặt vật lý? Giả sử chúng ta chẳng cần lo lắng về nơi mình sắp đến – giả định rằng chúng ta không cần phải tìm một ngôi nhà mới, nhưng lại không thể ở lại Trái đất được nữa.
Để hình dung liệu việc này có khả dĩ không, trước hết chúng ta hãy xét mức năng lượng tối thiểu cần thiết cho một người: 4 gigajoule (GJ) năng lượng. Bất kể chúng ta làm cách nào, dù là sử dụng tên lửa, súng thần công hay thang máy vũ trụ hoặc một chiếc thang, để đưa một người nặng 65 kg – hoặc bất kỳ vật gì nặng tương đương – thoát khỏi trọng trường của Trái đất chắc chắn sẽ cần lượng năng lượng tối thiểu trên.
Vậy 4 GJ năng lượng là bao nhiêu? Nó xấp xỉ 1MWh, tương đương với mức tiêu thụ điện năng của một gia đình thông thường ở Mỹ trong một hoặc hai tháng, ngang với năng lượng trong 90 kg xăng hay một chiếc xe tải nhỏ chất đầy các cục pin tiểu AA.
Bốn GJ nhân với 7 tỷ người sẽ là 2,8 x 1018 joule, hay 8 petawatt giờ, xấp xỉ khoảng 5% năng lượng tiêu thụ hằng năm trên toàn thế giới. Rất nhiều, nhưng không phải là bất hợp lý về mặt vật lý.
Tuy nhiên 4 GJ mới chỉ là con số tối thiểu. Thực tế thì, mọi chuyện còn phụ thuộc vào phương tiện vận chuyển của chúng ta. Chẳng hạn, năng lượng tiêu tốn sẽ nhiều gấp bội lượng kể trên nếu chúng ta sử dụng các loại tên lửa đẩy. Vấn đề nảy sinh ở chính các tên lửa này: chúng còn phải “cõng” nhiên liệu của chính nó nữa.
Hãy quay lại một chút với con số 90 kg xăng này, bởi chúng giúp minh họa vấn đề cốt lõi của việc du hành qua không gian.
Nếu muốn phóng một tàu vũ trụ nặng 65 kg, chúng ta sẽ cần tới khoảng 90 kg nhiên liệu. Khi đó tổng khối lượng của phi thuyền sẽ là 155 kg. Một phi thuyền nặng 155 kg sẽ cần tới 215 kg nhiên liệu, vậy nên khi bạn đưa 215 kg lên phi thuyền thì…
May thay, chúng ta có thể thoát được vòng luẩn quẩn vô hạn này – vòng luẩn quẩn phải cộng thêm 1,3 kg cho mỗi 1 kg thêm vào – bởi chúng ta không phải mang toàn bộ số nhiên liệu này trên suốt cuộc hành trình. Khi khởi hành, nhiên liệu bị đốt cháy nên phi thuyền sẽ trở nên ngày một nhẹ hơn, nghĩa là lượng nhiên liệu cần thiết sẽ ngày càng ít hơn. Nhưng chúng ta vẫn phải mang theo nhiên liệu trên đường. Công thức tính toán lượng nhiên liệu chúng ta cần đốt cháy để có thể di chuyển tới tốc độ nào đó được xác định nhờ phương trình tên lửa Tsiolkovsky:
Trong đó mđầu và mcuối là tổng khối lượng của con tàu và nhiên liệu lúc trước và sau khi đốt cháy nhiên liệu, và vphụt là tốc độ phụt ra của nhiên liệu (đối với con tàu) – khoảng 2,5 đến 4,5 kms đối với các nhiên liệu dùng cho tên lửa.
Điều quan trọng là tỷ số giữa Δv (tốc độ chúng ta muốn đạt được) và vphụt (tốc độ phụt ra của nhiên liệu). Để rời khỏi Trái đất, chúng ta cần tốc độ Δv=13kms hướng lên và vphụt được giới hạn khoảng 4,5 kms, cho ta tỷ số khối lượng nhiên liệu trên khối lượng con tàu ít nhất là e13/4,5 ≈ 20.Nếu tỷ số này là x thì để phóng một con tàu nặng 1kg, chúng ta cần ex kg nhiên liệu.
Khi x tăng lên, khối lượng này sẽ vô cùng lớn.
Tóm lại, để có thể thoát khỏi trọng lực của Trái đất bằng cách sử dụng các nhiên liệu tên lửa truyền thống, một phi thuyền nặng 1 tấn cần tới 20-50 tấn nhiên liệu. Do đó, để đưa toàn bộ loài người (tổng khối lượng khoảng 400 triệu tấn) vượt ra khỏi Trái đất sẽ cần dùng đến hàng chục nghìn tỷ tấn nhiên liệu. Con số này quả thực quá lớn; nếu chúng ta sử dụng nhiên liệu nguồn gốc hydrocarbon, thì sẽ cần đến một phần đáng kể trong lượng dầu mỏ dự trữ khổng lồ trên toàn thế giới. Hơn nữa, chúng ta không những phải lo lắng về khối lượng của chính con tàu mà cả đồ ăn, thức uống và thú cưng.[1] Chúng ta cũng còn cần nhiên liệu để sản xuất tất cả những con tàu này, để vận chuyển mọi người tới bãi phóng, và nhiều thứ phát sinh khác. Điều này không hẳn là hoàn toàn bất khả thi, nhưng chắc chắn là nằm ngoài giới hạn của sự hợp lý.
Nhưng sử dụng các tên lửa đẩy không phải là lựa chọn duy nhất của chúng ta. Nghe thì có vẻ điên rồ, nhưng tốt hơn là chúng ta nên cố mà (1) trèo ra ngoài khoảng không trên một sợi dây, hoặc (2) bị thổi bay khỏi Trái đất bằng các vũ khí hạt nhân. Đây thực sự là những ý tưởng nghiêm túc – nếu không muốn nói là táo bạo – về các hệ thống vận chuyển, cả hai khả năng đều đã được xem xét kể từ khi bắt đầu Kỷ nguyên Không gian.
Cách tiếp cận đầu tiên dựa trên khái niệm “thang máy vũ trụ”, một ý tưởng được yêu thích của các nhà khoa học viễn tưởng. Ý tưởng đặt ra là chúng ta nối một sợi dây cáp vào vệ tinh đang quay quanh một quỹ đạo đủ xa để được kéo căng bởi lực ly tâm. Lúc này chúng ta có thể di chuyển lên trên dọc theo sợi dây nhờ sử dụng điện năng và động cơ thông thường được cung cấp năng lượng mặt trời, năng lượng hạt nhân, hay bất kỳ thứ gì đem lại hiệu quả nhất. Rào cản kỹ thuật lớn nhất đó là sợi dây sẽ phải bền và chắc gấp nhiều lần so với bất kỳ loại vật liệu nào chúng ta có hiện tại. Chúng ta có thể hy vọng rằng các vật liệu từ sợi ống nano carbon có thể sẽ cho ta sức bền mong muốn – và vấn đề này sẽ được thêm vào danh sách dài những vấn đề kỹ thuật có thể được xua đi chỉ bằng cách thêm tiền tố “nano-.”
Cách tiếp cận thứ hai là dùng lực đẩy hạt nhân, một phương thức khả dụng đáng kinh ngạc để di chuyển nhanh chóng một lượng vật chất khổng lồ. Ý tưởng cốt lõi là ta ném một quả bom hạt nhân ở phía sau và lướt theo sóng xung kích sau vụ nổ. Bạn có thể nghĩ là con tàu sẽ bị bốc hơi, nhưng mà nếu nó có được một lớp vỏ thiết kế tốt, sức nén từ vụ nổ sẽ đẩy văng nó đi trước cả khi nó kịp tan ra. Và nếu việc này thực sự được thực hiện, hệ thống này về lý thuyết hoàn toàn có khả năng nhấc bổng toàn bộ thành phố vào quỹ đạo, và có tiềm năng hoàn thành mục tiêu của chúng ta.
Các nguyên lý kỹ thuật của cách tiếp cận này được cho là vững chắc đến nỗi, năm 1960, dưới sự dẫn dắt của Freeman Dyson, chính quyền Mỹ quả thực đã cho xây dựng một trong những phi thuyền như vậy. Nỗ lực này, được đặt tên là Dự án Orion, được con trai của Freeman là George miêu tả chi tiết trong cuốn sách tuyệt vời cùng tên. Những người tán thành lực đẩy hạt nhân vẫn cảm thấy thất vọng vì dự án này đã bị hủy bỏ trước khi bất kỳ nguyên mẫu nào được xây dựng. Những người khác tranh luận rằng khi bạn nghĩ về những gì họ định làm – đặt một khẩu pháo hạt nhân khổng lồ vào trong một chiếc hộp, quăng nó lên cao vào bầu khí quyển, và dùng pháo nã xuống đất liên tục – thì là quá đáng sợ khi dự án đã tiến triển được tới mức này.
Vậy nên, câu trả lời là để một người vào không gian thì đơn giản, nhưng để đưa tất cả chúng ta đi sẽ làm cạn kiệt nguồn tài nguyên trên Trái đất và có thể hủy diệt luôn Trái đất dấu yêu. Nó chỉ là một bước chân của một người, nhưng lại là một bước nhảy vọt của loài người.
❀ ❀ ❀
[1] Tương tự, thang đo cường độ gió F (Fujita) đã được thay thế bằng thang EF (Fujita mở rộng). Đôi khi, một đơn vị đo trở nên lỗi thời bởi vì xài nó rất kinh khủng – chẳng hạn, “kip” (1.000 pound lực), “kcfs” (hàng nghìn foot khối mỗi giây), và “độ Rankine” (độ F trên độ không tuyệt đối). (Tôi đã phải đọc các bài báo kỹ thuật sử dụng các đơn vị này.) Những khi khác, bạn có thể nhận thấy rằng các nhà khoa học chỉ muốn có thứ gì đó để “chỉnh” mọi người.
