Nhật Bản đang xây dựng thang máy vũ trụ
04/06/2022
TCTM – Tập đoàn Obayashi dự kiến sẽ tạo ra một thang máy dài 96.000 km đi vào vũ trụ trong vòng 40 năm, kể từ năm 2010.
TCTM – Từ khoa học viễn tưởng đến giải pháp kỹ thuật khả thi và thị trường mới nổi. Những nội dung này đã được trình bày tại Hội nghị chuyên đề về thang máy và thang cuốn quốc tế năm 2022 ở Barcelona, Tây Ban Nha.
Thang máy vũ trụ là một khái niệm nổi tiếng về phương tiện vận chuyển thẳng đứng từ mặt đất lên quỹ đạo địa tĩnh. Trong thế kỷ qua, các tác giả khoa học viễn tưởng và các nhà khoa học đã có rất nhiều thảo luận về khái niệm này nhưng vẫn chưa có kết quả cụ thể.
Mặc dù thị trường tiềm năng cho thang máy vũ trụ là rất lớn nhưng các vật liệu cần thiết cho việc xây dựng vẫn cần được thương mại hóa và nhiều công nghệ vẫn cần phải hoàn thiện.
Song song đó, một thị trường mới cho phương tiện vận chuyển thẳng đứng sẽ xuất hiện vào đầu những năm 2030 với sứ mệnh đưa con người lên Mặt Trăng và Sao Hỏa, trong đó, các công ty thang máy phải đóng vai trò chủ đạo.
Một số chương trình vũ trụ đã được khởi xướng và được tài trợ để xây dựng các khu định cư cho con người trên Mặt Trăng, Sao Hỏa,… Chương trình được coi là sứ mệnh quốc tế – “Artemis” do NASA dẫn đầu với mục tiêu xây dựng các căn cứ có người ở trên bề mặt Mặt Trăng vào năm 2025 và Sao Hỏa vào năm 2035.
Những khu định cư mới này sẽ cần các loại giải pháp phương tiện vận chuyển thẳng đứng khác nhau – cho cả người và hàng hóa.
Ở môi trường mới, chúng ta phải đối phó với những thách thức mới, chẳng hạn như tìm giải pháp để mang một lượng lớn thiết bị lên xuống từ tàu vũ trụ lên bề mặt Mặt Trăng hay Sao Hỏa. Hay vận chuyển thẳng đứng các vật liệu cần thiết xuống dưới các trại ngầm hoặc chỉ như việc di chuyển từ bề mặt đến nơi an toàn nằm bên dưới lòng đất. Điều này yêu cầu chúng ta phải thiết kế lại thang máy do lực hấp dẫn khác nhau, mật độ và thành phần khí quyển khác nhau, bức xạ mạnh hơn và những thách thức khác đang cần được giải quyết.
Một số công ty đã lên kế hoạch để đáp ứng nhu cầu sử dụng phương tiện vận chuyển thẳng đứng ở các khách sạn vũ trụ. Các trạm vũ trụ được xây dựng cho các kỳ nghỉ xa xỉ trong LEO (Low Earth Orbits – Quỹ đạo Trái Đất Thấp) cũng sẽ cần các giải pháp để vận chuyển con người xung quanh.
Các ngành công nghiệp liên quan đến vũ trụ, tàu hỏa, ô tô hoặc các công ty công nghệ khác có thể giải quyết những vấn đề này. Nhưng ngành phương tiện vận chuyển thẳng đứng phải sẵn sàng đáp ứng nhu cầu của những thập kỷ tới trước khi bất kỳ ngành nào khác dẫn đầu.
Vai trò của thang máy trong kỷ nguyên vũ trụ mới hiện chỉ có sự tham gia của các công ty liên quan đến vũ trụ chứ không phải các công ty thang máy.
Bây giờ là thời điểm tốt nhất để các công ty thang máy bắt đầu nghiên cứu và phát triển về mối quan hệ giữa thang máy và môi trường vũ trụ.
Trong 20 năm qua, đã có sự hiện diện liên tục của con người trong vũ trụ. Trong những thập kỷ sắp tới, chúng ta sẽ bước vào kỷ nguyên mà con người bắt đầu những bước đầu tiên với tư cách là một loài đa hành tinh. Những kế hoạch cho môi trường sống của con người trên Sao Hỏa và Mặt Trăng đã được phát triển. Các cơ sở này sẽ cần các giải pháp phương tiện vận chuyển thẳng đứng để vận chuyển thiết bị, vật tư và con người từ tàu đổ bộ đến hố va chạm, ống dung nham và hang động dưới bề mặt, đồng thời để vận hành các hoạt động dưới bề mặt, nơi chúng ta sẽ khai thác băng ngầm và vật liệu xây dựng trên Mặt Trăng và Sao Hỏa. Các tàu vũ trụ và trạm vũ trụ ngày càng lớn hơn – một số được thiết kế thành những “khách sạn vũ trụ” khổng lồ – cũng sẽ cần vận chuyển con người trên những quãng đường dài theo cả chiều dọc và chiều ngang.
Trong những năm tới, chúng ta sẽ thấy nhu cầu ngày càng tăng đối với các giải pháp phương tiện vận chuyển thẳng đứng được sử dụng trong môi trường ngoài Trái Đất. Vì vậy, giờ đây chính là lúc để xây dựng các ý tưởng, tìm kiếm vật liệu và tạo ra các thiết kế phù hợp với tất cả yêu cầu của những chiếc thang máy đó.
Một môi trường thương mại cho các vật liệu và linh kiện thang máy có thể sử dụng được trong không gian sẽ bắt đầu phát triển trong thập kỷ quan trọng này và ngành công nghiệp trên toàn thế giới phải là một phần của nỗ lực này. Nếu ngành thang máy không nhanh chân dẫn đầu, một ngành khác sẽ đóng vai trò lập kế hoạch và xây dựng các giải pháp vận chuyển như ngành vũ trụ hay các ngành công nghệ hoặc vận tải khác.
Hơn nữa, việc tạo và thử nghiệm các vật liệu và sản phẩm liên quan đến thang máy cho ngành vũ trụ sẽ mang lợi ích trở lại cho chính thang máy thông thường nhờ các cải tiến giúp vật liệu vững chắc hơn, thiết bị nhẹ hơn và hoạt động thang máy hiệu quả hơn.
Mỗi công ty hoặc tổ chức vũ trụ có kế hoạch đưa con người hoặc hàng hóa lên một thiên thể khác sẽ xây dựng giải pháp phương tiện vận chuyển thẳng đứng của mình theo các yêu cầu mà họ xác định để phù hợp với các phương tiện và mục đích của mình. Một số cấu trúc dựa trên không gian hiện tại sẽ cần một số loại thang máy ngoài Trái Đất là SpaceX có kế hoạch đưa con người lên Mặt Trăng vào năm 2025. Ngoài ra, trên Sao Hỏa vào năm 2035 bằng cách sử dụng hạm đội “Starship”, NASA có kế hoạch đưa con người lên Mặt Trăng từ năm 2024.
Các kế hoạch khác bao gồm khách sạn không gian sẽ cần một số loại giải pháp vận chuyển theo chiều dọc và chiều ngang. Trong tương lai, chắc chắn họ sẽ sử dụng trọng lực nhân tạo bằng lực hướng tâm, và khi đó các giải pháp phương tiện vận chuyển thẳng đứng sẽ rất quan trọng.
Khi mọi người nghĩ về không gian và thang máy, khái niệm thang máy không gian hay thang máy Mặt Trăng luôn xuất hiện trong đầu. Tuy nhiên, hiện đang có một giải pháp giao thông cấp bách hơn nhiều cần được thực hiện ngay trong thập kỷ này. Đó là giải pháp phương tiện vận chuyển thẳng đứng cho tàu đổ bộ lên Mặt Trăng và Sao Hỏa. Những tàu đổ bộ này hạ cánh thẳng đứng, có chiều cao từ 30 đến 50m và có thể có nhiều tầng chứa. Do đó, chúng sẽ cần các giải pháp vận chuyển thẳng đứng để đưa thiết bị và con người lên xuống bề mặt Mặt Trăng và Sao Hỏa.
Trong thập kỷ tới, chúng ta sẽ được chứng kiến các căn cứ không gian ngày một lớn hơn và thậm chí có cả các thuộc địa trên Mặt Trăng và Sao Hỏa, có thể một phần nằm dưới lòng đất hoặc trong các hang động và ống dung nham lớn. Các môi trường sống của con người sẽ cần những chiếc thang máy phù hợp với môi trường và nhu cầu khắc nghiệt. Những thuộc địa này sẽ khai thác và thu hoạch càng nhiều vật liệu càng tốt từ mặt đất vì việc vận chuyển hàng hóa từ Trái Đất rất tốn kém. Điều đó cũng sẽ yêu cầu các giải pháp phương tiện vận chuyển thẳng đứng.
Trong tương lai xa hơn vào cuối thập kỷ này, chúng ta có thể mong đợi những cấu trúc không gian lớn hơn sẽ được xây dựng, kể cả cho mục đích giải trí, có hoặc không có trọng lực nhân tạo. Họ cũng sẽ cần thang máy và thang băng chuyền.
Không gian là một trong những môi trường khắc nghiệt nhất. Bên ngoài bầu khí quyển bảo vệ của Trái Đất, các vật thể phải chịu nhiệt độ khắc nghiệt, cả nóng và lạnh, chênh lệch nhiệt độ nhanh và mối đe dọa về hiệu ứng bức xạ gia tăng đáng kể. Khoảng chân không trong không gian cũng là một thách thức lớn đối với con người và vật chất do hiện tượng “thoát khí”.
Điều kiện khắc nghiệt đầu tiên mà tàu vũ trụ phải đối phó là khi chúng được phóng lên. Tất cả tàu vũ trụ và con người đều được phóng lên không gian bằng tên lửa. Các tên lửa và tàu vũ trụ cần mang theo hàng tấn chất đẩy cung cấp cho chúng đủ năng lượng để thoát khỏi lực hấp dẫn của Trái Đất. Do lực hấp dẫn của Trái Đất, các vật thể bạn muốn đưa lên không gian càng lớn và nặng thì tên lửa và nhiên liệu đẩy sẽ càng lớn và nặng. Tên lửa đưa tàu vũ trụ và vệ tinh vào quỹ đạo cũng sẽ tạo ra những chấn động, rung động cơ học và sóng âm thanh cực lớn.
Nhiệt độ trong không gian, hoặc trên Mặt Trăng, có thể dao động từ cực lạnh, gần bằng độ không tuyệt đối, đến cao hơn hàng trăm độ khi ở dưới ánh sáng mặt trời trực tiếp. Ngoài ra, chênh lệch nhiệt độ cực cao, đạt khoảng 200°C/phút.
Bức xạ từ Mặt Trời và từ các ngôi sao khác trong vũ trụ có thể cực kỳ nguy hiểm đối với thiết bị điện tử do các hạt tích điện năng lượng như electron, proton, hạt alpha và tia gamma, đồng thời cũng có thể gây ra sự dịch chuyển nguyên tử hoặc quá trình ion hóa toàn bộ kéo dài hiệu ứng.
Các tác động môi trường của không gian (hoặc Mặt Trăng và Sao Hỏa) đối với vật liệu rất nghiêm trọng và phức tạp do ảnh hưởng đồng thời của các yếu tố trong môi trường quỹ đạo như các hạt bức xạ năng lượng cao, oxy nguyên tử, tiểu thiên thạch, các mảnh vụn quỹ đạo và bức xạ tia cực tím, cùng với sự tiếp xúc nhiệt. Ngoài ra, sự xuống cấp bề mặt do nhiễm bẩn có thể tác động tiêu cực đến hiệu suất quang học. Đối với thang máy, cáp treo, cabin và các bộ phận khác đều sẽ bị ảnh hưởng bởi môi trường không gian khắc nghiệt. Do đó, các nhà thiết kế thang máy phải có hiểu biết sâu sắc về môi trường cụ thể mà thang máy sẽ hoạt động để lựa chọn vật liệu phù hợp, tối đa hóa hiệu suất an toàn và kỹ thuật, tăng tuổi thọ và giảm rủi ro.
Các sứ mệnh không gian yêu cầu các vật liệu có thể duy trì tính toàn vẹn chức năng dưới nhiệt độ cực cao, biến thiên nhiệt lớn, tác động và bức xạ. Một số vật liệu được sử dụng trong không gian là nhôm, niken, titan và hợp kim của chúng, thép và vật liệu độn; Kevlar, silica và vật liệu dựa trên silica, polyme dựa trên polyme acrylic và metacrylic, polycarbonate và một số loại polystyrene.
Một số tổ chức liên quan đến thang máy ngoài Trái Đất đều đồng ý rằng đây là thời điểm để các công ty thang máy lớn tham gia và đóng vai trò thiết yếu trong việc thiết kế các giải pháp phương tiện vận chuyển thẳng đứng mới, mang tính đột phá và dẫn đường cho việc xây dựng hệ sinh thái các thiết bị và vật liệu thang máy để hỗ trợ tương lai của phương tiện vận chuyển thẳng đứng trong thời đại không gian mới.
Hiện tại, giải pháp duy nhất của loài người để đưa con người và hàng hóa lên quỹ đạo là sử dụng tên lửa. Điều này rất rủi ro, cực kỳ ô nhiễm và tốn kém.
Bảng dưới đây cho thấy giả định về các yêu cầu vận chuyển lên không gian của nhân loại tính bằng tấn mỗi năm:
(*) GEO (Geosynchronous Earth Orbit): Quỹ đạo Trái Đất địa tĩnh
Mặc dù tên lửa ngày càng trở nên hiệu quả hơn, nhưng tất cả chúng đều phải tuân theo phương trình tên lửa Tsiolkovsky:
Do đó, tất cả các tên lửa vẫn cần một lượng lớn nhiên liệu để đưa một phần trọng tải của tên lửa vào không gian. Chúng ta có thể xem ví dụ tiếp theo về tên lửa hạ cánh trên Mặt Trăng:
Tổng khối lượng tên lửa khi được phóng là 100%, trong đó:
Khối lượng cuối cùng trên Mặt Trăng chỉ bằng 0,5% so với khối lượng ban đầu của tên lửa!
Hơn nữa, tên lửa góp phần vào sự nóng lên toàn cầu do sự phát thải CO2 trong khí quyển.
Nhiều nghiên cứu đã được thực hiện về chủ đề này trong những năm trước bởi nhiều cơ quan, công ty, trường đại học và các tổ chức khác liên quan đến không gian đều đang nỗ lực nghiên cứu như: Hiệp hội Thang máy không gian Quốc tế (ISEC), công ty hàng đầu trong lĩnh vực này ngày nay – Tập đoàn LiftPort dẫn đầu lĩnh vực thang máy Mặt Trăng và nghiên cứu về thang máy không gian, Hiệp hội Vũ trụ Quốc gia (NSS), Cơ quan Hàng không và Vũ trụ Hoa Kỳ (NASA), Cơ quan Vũ trụ Châu Âu (ESA), Cơ quan Thám hiểm Hàng không Vũ trụ Nhật Bản (JAXA),…
Vào năm 2018, JAXA cùng với Đại học Shizuoka (Nhật Bản) đã gửi một thử nghiệm thang máy không gian dựa trên vệ tinh lên vũ trụ. Dự án bao gồm việc lái một cabin thu nhỏ trên một cáp liên kết hai vệ tinh.
Trong 15 năm qua, đã có nhiều cuộc thi phát triển các bộ phận của thang máy không gian, dẫn đầu là giải X, JSEA (Hiệp hội Thang máy không gian Nhật Bản), BASPEC (Thử thách Thang máy không gian Bavaria) và nhiều cuộc thi khác.
Vì thang máy vũ trụ sẽ tiếp xúc với môi trường không gian khắc nghiệt có cả bức xạ và tác động của các mảnh vụn trong vũ trụ (bất cứ thứ gì từ thiên thạch nhỏ đến rác vũ trụ nhân tạo đang ở trên quỹ đạo quanh Trái Đất). Do đó, cần thiết có một cơ chế bảo trì thông minh, nhanh chóng và tự quản. Ngoài ra, cần có các biện pháp bảo vệ khác cho toàn bộ cấu trúc, bao gồm cả cáp, cabin và nguồn điện.
Tuy nhiên, như tất cả chúng ta đều biết, thang máy có thể xảy ra các sự cố nghiêm trọng về an toàn trong suốt vòng đời của chúng. Hoạt động an toàn khẩn cấp là một thách thức lớn khi cáp dài hơn 35.800km và cabin của thang máy đang di chuyển với tốc độ cực nhanh. Để giảm thiểu rủi ro, các giải pháp bảo trì hiệu quả, nhanh chóng và tự quản kết hợp bảo trì dự đoán phức tạp phải được phát triển.
Tất cả những thách thức này cần được giải quyết bởi ngành công nghiệp thang máy, ngành đã có vài chục năm kinh nghiệm trong việc vận chuyển con người, vật tư và thiết bị một cách an toàn và theo phương thẳng đứng. Ngành phải đóng một vai trò quan trọng trong kỷ nguyên vũ trụ mới của loài người!
TCTM – Tập đoàn Obayashi dự kiến sẽ tạo ra một thang máy dài 96.000 km đi vào vũ trụ trong vòng 40 năm, kể từ năm 2010.
TCTM – Nếu máy bay từng là ý tưởng điên rồ đã được anh em nhà Wright hiện thực hóa, thì có sao đâu khi dự án thang máy vũ trụ đang được các nhà khoa học nhen nhóm ý tưởng. Biết đâu sẽ có một kỷ nguyên mới được mở ra như thành tựu của ngành hàng không đã từng?
Thông tin mới cập nhật
