Vật thể nhanh nhất lịch sử: 'Nhảy' quãng đường tương đương Hà Nội - Bắc Kạn chỉ trong 1 giây

5 năm qua, Tàu thăm dò Mặt trời Parker (Parker Solar Probe) của NASA liên tục phá vỡ kỷ lục tốc độ của chính mình. Và trong năm tới, Parker sẽ tiếp tục phá thêm kỷ lục nữa.

Tàu vũ trụ được trang bị cực tân tiến của NASA đang dần dần tiến gần hơn đến Mặt trời và trong mỗi lần tiếp cận "quả cầu lửa khổng lồ", nó sẽ tăng thêm tốc độ.

Vào năm 2018, ngay sau khi phóng, Parker Solar Probe đã trở thành vật thể nhân tạo nhanh nhất từng được chế tạo trong lịch sử . Tháng 9/2023, Parker đạt vận tốc 635.266 km/giờ.

Đến năm 2024 - trong lần tiếp cận Mặt trời ở khoảng cách gần nhất của Parker, tàu sẽ đạt tốc độ khổng lồ 692.000 km/giờ (192.222 mét/giây) - bằng 0,064% tốc độ ánh sáng. Tốc độ đó đủ nhanh để đi từ thành phố Philadelphia (thuộc bang Pennsylvania) đến thủ đô Washington, D.C. của Mỹ trong một giây , NASA cho biết.

Nếu hình dung ở Việt Nam, thì tốc độ đó đủ nhanh để đi từ thủ đô Hà Nội đến huyện Na Rì (phía Đông tỉnh Bắc Kạn) trong 1 giây!

Tính cho đến nay, tàu Parker vẫn đang "ngụp lặn" vào bầu khí quyển của Mặt trời, đối mặt với sức nóng và bức xạ khủng khiếp, nhằm thực hiện sứ mệnh giải mã những bí ẩn của Mặt trời khiến giới khoa học bối rối suốt 60 năm.

Khi đến gần Mặt trời nhất (cuối năm 2024), tấm chắn Mặt trời của Parker phải đối mặt với nhiệt độ lên tới 1.400 độ C. Trong khi, dụng cụ khoa học bên trong tàu chỉ đạt mức nhiệt độ phòng - khoảng 30 độ C.

Thực chất, Parker được thiết kế để "sống sót" và bay trong phạm vi đó, nhằm thực hiện sứ mệnh cung cấp dữ liệu mới về hoạt động của Mặt trời mà giới khoa học bối rối suốt 6 thập kỷ (gồm theo dõi dòng năng lượng, nghiên cứu sự nóng lên của quầng Mặt trời và khám phá điều gì làm tăng tốc gió Mặt trời); cũng như đóng góp quan trọng vào khả năng dự báo các sự kiện thời tiết-không gian lớn ảnh hưởng đến sự sống trên Trái đất của chúng ta.

Trước khi tìm hiểu "bộ óc" nào đứng sau thiết kế chịu nhiệt đỉnh cao của Parker Solar Probe, cùng tìm hiểu tại sao vật thể nhân tạo này lại đạt được tốc độ nhanh nhất trong lịch sử như thế.

Siêu tàu "lợi dụng" sao Kim để tăng tốc

Tốc độ ngày càng tăng của tàu Parker là một phần không thể tránh khỏi khi di chuyển quanh Mặt trời - một quả cầu khí nóng nặng gấp 333.000 lần hành tinh dày đặc của chúng ta. Ở một góc độ khác, 1,3 triệu Trái đất có thể nằm gọn trong Mặt trời.

Điều quan trọng là khi đi qua một vật thể nặng và có lực hấp dẫn mạnh như vậy, tốc độ di chuyển của một vật thể cũng phải tăng theo.

Khi bay theo quỹ đạo thứ 17 quanh Mặt trời năm 2021, tàu Parker tăng tốc độ lên 386.242 km/giờ kể từ khi phóng năm 2018. Và ngoài không gian, không có gì có thể ngăn cản chuyển động này.

Vào ngày 27/9/2023, tàu Parker tiếp tục đạt vận tốc chóng mặt 635.266 km/giờ, nhờ sự hỗ trợ trọng lực từ chuyến bay ngang qua sao Kim của tàu vào ngày 21/8/2023. Với cách tiếp cận Mặt trời đặc biệt này, Parker lập kỷ lục khoảng cách mới, chỉ cách bề mặt Mặt trời 7,26 triệu km – gần hơn bất kỳ tàu vũ trụ nào từng quay quanh quỹ đạo Mặt trời trước đây, theo NASA.

Chuyến bay ngang qua sao Kim (Venus Flyby) là một trong những chiến lược thông minh nhằm "lợi dụng" hành tinh này để tăng tốc con tàu. Khi tàu Parker di chuyển gần sao Kim, hành tinh này đã hấp thụ một phần năng lượng quỹ đạo của Parker, cho phép nó tăng tốc đến gần Mặt trời hơn.

Tổng cộng, Parker Solar Probe sẽ sử dụng 7 chuyến bay ngang qua hỗ trợ trọng lực của sao Kim trong gần 7 năm để dần dần thu hẹp quỹ đạo của nó quanh Mặt trời. Cũng trong 7 năm, tàu vũ trụ Parker sẽ hoàn thành 24 quỹ đạo quanh Mặt trời.

Ở cách tiếp cận Mặt trời gần nhất (Quỹ đạo Mặt trời cuối cùng của tàu) vào cuối năm 2024, Parker sẽ bay quanh Mặt trời với tốc độ 692.000 km/giờ, cách bề mặt của ngôi sao chỉ 6,1 triệu km, đối mặt với sức nóng và bức xạ mà chưa từng một tàu vũ trụ nào phải chịu đựng.

Tại sao Parker không bị tan chảy?

NASA giả định: Nếu Trái đất ở một đầu của thước đo dài 92 cm và Mặt trời ở đầu kia, thì tàu thăm dò Mặt trời Parker sẽ cách bề mặt Mặt trời khoảng 10 cm.

Với nhiệt độ bề mặt Mặt trời lên đến 5.500 độ C, tại sao Parker không bị tan chảy? NASA giải thích như sau:

Tàu Parker được thiết kế để chịu được các điều kiện khắc nghiệt và biến động nhiệt độ cho sứ mệnh. Điều quan trọng nằm ở tấm chắn nhiệt tùy chỉnh và hệ thống tự động giúp bảo vệ sứ mệnh khỏi sự phát xạ ánh sáng mạnh của Mặt trời, nhưng lại cho phép vật liệu ở vành nhật hoa "chạm" vào tàu vũ trụ mà không hề hấn gì.

Vành nhật hoa (Corona) nóng hơn bề mặt Mặt trời. Nhiệt độ của có thể lên đến hơn 1 triệu độ C.

Chìa khóa để hiểu thứ giữ an toàn cho tàu vũ trụ và các thiết bị khoa học của nó chính là phải hiểu sự khác nhau giữa hai khái niệm sức nóng (heat) và nhiệt độ ( temperature).

Trong không gian, nhiệt độ (temperature) có thể lên tới hàng nghìn/triệu độ C mà không cung cấp nhiệt đáng kể cho một vật thể nhất định hoặc gây cảm giác nóng. Tại sao?

Nhiệt độ đo tốc độ chuyển động của các hạt, trong khi sức nóng đo tổng lượng năng lượng mà các hạt truyền đi. Các hạt có thể chuyển động nhanh (nhiệt độ cao), nhưng nếu có rất ít hạt, chúng sẽ không truyền nhiều năng lượng (sức nóng thấp). Vì không gian hầu như trống rỗng nên có rất ít hạt có thể truyền năng lượng cho tàu vũ trụ. Ví dụ, vành nhật hoa mà tàu Parker bay qua có nhiệt độ cực cao nhưng mật độ hạt rất thấp.

Để dễ hình dung, có thể so sánh lò nướng nóng và nồi nước sôi. Trong lò nướng, tay bạn có thể chịu được nhiệt độ nóng hơn đáng kể lâu hơn so với khi tay ở trong nước.

Tương tự, so với bề mặt nhìn thấy được của Mặt trời, vành nhật hoa ít đậm đặc hơn, do đó tàu vũ trụ tương tác với ít hạt nóng hơn và không nhận được nhiều nhiệt.

Điều đó có nghĩa là trong khi tàu Parker di chuyển qua một không gian có nhiệt độ hàng triệu độ, bề mặt của tấm chắn nhiệt tàu Parker đối diện với Mặt trời sẽ chỉ nóng lên khoảng 1.400 độ C.

Tất nhiên, hàng nghìn độ C vẫn cực kỳ nóng. Để so sánh, dung nham từ các vụ phun trào núi lửa có thể ở nhiệt độ từ 700 đến 1.200 độ C.

Và để chịu được sức nóng đó, Parker sử dụng tấm chắn nhiệt được gọi là Hệ thống Bảo vệ Nhiệt (TPS). Tấn chắn này có đường kính 2,4 mét và dày 11,5 cm.

Khi đối mặt với Mặt trời ở khoảng cách gần nhất, tấm chắn TPS sẽ chịu nhiệt độ 1.400 độ C, trong khi đó thân tàu vũ trụ và bộ dụng cụ của nó (được tấn chắm bảo vệ) ở mức nhiệt cực kỳ thoải mái: 30 độ C.

TPS được thiết kế bởi Phòng thí nghiệm Vật lý Ứng dụng của Đại học Johns Hopkins (Mỹ) và được chế tạo tại Công ty Carbon-Carbon Advanced Technologies (C-Cat) của M.

Tấm chắn nhiệt của Parker được làm từ 2 tấm composite carbon siêu nhiệt kẹp một lõi xốp carbon nhẹ. Lớp cách nhiệt nhẹ này sẽ đi kèm với lớp sơn gốm trắng hoàn thiện trên tấm hướng nắng, để phản xạ nhiều nhiệt nhất có thể.

Tấn chắn TPS đã được thử nghiệm để chịu được nhiệt độ lên tới 1.650 độ C, nên nó có thể xử lý mọi nhiệt lượng mà Mặt trời có thể truyền tới, giữ an toàn cho hầu hết tất cả các thiết bị khoa học trên tàu và thân tàu.

Ai đứng sau sứ mệnh có một không hai này?

Sứ mệnh tàu thăm dò Mặt trời Parker được NASA đặt theo tên của cố Tiến sĩ Eugene N. Parker, người đi tiên phong trong sự hiểu biết hiện đại của chúng ta về Mặt trời. Là một giáo sư trẻ tại Đại học Chicago vào giữa những năm 1950, Parker đã phát triển một lý thuyết toán học dự đoán gió Mặt trời, dòng chảy liên tục của vật chất mặt trời từ Mặt trời.

Trong suốt sự nghiệp của mình, Parker đã nhiều lần cách mạng hóa lĩnh vực này, thúc đẩy những ý tưởng giải quyết các câu hỏi cơ bản về hoạt động của Mặt trời và các ngôi sao trong vũ trụ. Ông qua đời ngày 15 tháng 3 năm 2022.

Sứ mệnh phức tạp này do các nhà khoa học Mỹ thực hiện, bao gồm: Ban Quản lý sứ mệnh thăm dò Mặt trời Parker của NASA; Phòng thí nghiệm Vật lý Ứng dụng của Đại học Johns Hopkins (Mỹ).

Tàu Parker nặng 685 kg khi phóng. Tàu mang theo 4 thiết bị khoa học gồm: Thí nghiệm trường (FIELDS); Nghiên cứu khoa học tích hợp về Mặt trời (ISIS); Máy chụp ảnh trường rộng cho tàu thăm dò Mặt trời (WISPR); Thiết bị đo electron và proton trong gió Mặt trời (SWEAP).

Nguồn: NASA, Mashable, Livescience, Parkersolarprobe