NASA thổi bụi Mặt Trăng trong quả cầu chân không

Trên Mặt Trăng không có gió. Không một cơn gió nào, vì ở đó không có không khí. Vậy mà mỗi lần một con tàu hạ cánh xuống đó, luôn có một trận bão bụi. Trận bão ấy không do thiên nhiên tạo ra. Nó do chính con tàu tạo ra.

Câu hỏi là: khi không có không khí để giữ bụi lại, thì đám bụi ấy bay đi đâu?

Đó chính là điều một nhóm ở NASA đang tìm cách đo cho bằng được.

Bắn lửa vào một khay đất giả

Nhóm này làm việc tại NASA Langley Research Center, đặt ở thành phố Hampton, bang Virginia, Mỹ. Họ vừa bắt đầu một loạt thử nghiệm về tương tác giữa luồng phụt và bề mặt (plume-surface interaction). Nói cho dễ hiểu: luồng khí nóng phun ra từ động cơ tàu vũ trụ thổi vào mặt đất thì chuyện gì xảy ra.

Nơi thử là một buồng chân không hình cầu, đường kính khoảng 18 mét. Bạn hãy tưởng tượng một quả bóng khổng lồ cao bằng toà nhà sáu tầng. Người ta hút gần hết không khí bên trong ra, để bên trong giống Mặt Trăng nhất có thể.

Bên trong quả cầu ấy có một khay đất. Khay tên là Black Point-1, rộng chừng 2 mét, xấp xỉ một mặt bàn ăn gia đình, và sâu 30 xăng ti mét, khoảng một gang tay rưỡi. Đất trong khay không phải đất Mặt Trăng thật. Đó là đất mô phỏng, được làm sao cho sắc cạnh và bám dính giống lớp đất đá trên Mặt Trăng, thứ mà các nhà khoa học gọi là regolith.

Nhóm sẽ thử hai loại hệ thống đẩy khác nhau.

Vòng đầu, đang chạy, dùng một hệ thống mô phỏng luồng phụt bằng khí ethane. Hệ thống này do NASA Stennis Space Center gần Bay St. Louis, bang Mississippi thiết kế, còn Đại học Purdue chế tạo và vận hành. Nó tạo ra lực đẩy tối đa khoảng 45 ki lô gam, tức là bằng sức để nâng một bạn học lớp bảy lên. Điều thú vị: hệ thống này nóng lên nhưng không cháy.

Vòng thứ hai sẽ diễn ra vào cuối năm nay. Lần này là một động cơ tên lửa lai (hybrid rocket motor) dài 35 xăng ti mét, được in 3D. Nó do Đại học bang Utah ở Logan, bang Utah phát triển, và được thử tại NASA Marshall Space Flight Center ở Huntsville, bang Alabama. Động cơ này nhỏ hơn, lực đẩy khoảng 16 ki lô gam, nhưng nó đốt thật: đốt cùng lúc nhiên liệu rắn và một dòng khí oxy để tạo ra luồng khí xả nóng. Đây là một động cơ tên lửa thật, chỉ thu nhỏ lại.

Cả hai hệ thống đều sẽ được bắn từ nhiều độ cao khác nhau.

Sáu giây để ghi lại tất cả

Đây là phần khó nhất. Mỗi lần bắn chỉ kéo dài khoảng 6 giây. Ngắn hơn thời gian bạn hát xong một câu trong bài hát mình thích.

Trong 6 giây ấy, đủ loại thiết bị phải ghi lại mọi thứ. Một trong số đó là phiên bản của hệ thống Stereo Cameras for Lunar Plume Surface Studies, bộ camera từng chụp đúng cảnh này khi tàu Blue Ghost Mission-1 của Firefly hạ cánh xuống Mặt Trăng năm 2025.

Các thiết bị đo bốn thứ: cái hố lõm xuống hình thành thế nào, tấm vật chất văng lên có góc và chiều cao ra sao, các mảnh rắn văng ra rơi rải theo kiểu gì, và các hạt regolith bay ra khỏi khay nhanh đến đâu.

Bà Ashley Korzun, trưởng nhóm thử nghiệm tại NASA Langley, gọi đây là thử nghiệm tương tác luồng phụt với bề mặt phức tạp nhất từng được thực hiện trong buồng chân không.

Vì sao phải đo trên mặt đất trước

Bạn thử nghĩ về việc thổi bụi trên Trái Đất. Bạn thổi một nắm bột, bột bay lên rồi chậm dần, rồi rơi xuống. Cái làm nó chậm lại là không khí. Không khí cản trở từng hạt bột, giống như bạn chạy dưới nước thì chậm hơn chạy trên cạn.

Trên Mặt Trăng không có lớp cản đó. Hạt bụi bị luồng khí nóng thổi bật lên thì cứ thế bay thẳng, và bay rất xa. Nó không có gì để hãm lại.

Bà Korzun giải thích rằng một con tàu khi hạ cánh sẽ làm bay hết chỗ đất đá ấy, và một phần trong đó sẽ va vào chính con tàu. Phần khác bay ra ngoài, trúng vào các thiết bị khoa học, vào xe tự hành đặt gần đó. Hiểu được cách nó bay là điều then chốt để giữ an toàn cho phi hành đoàn.

Chuyện này không còn xa. NASA dự định đưa người trở lại Mặt Trăng bắt đầu từ chuyến Artemis IV vào năm 2028, tức là chỉ còn khoảng hai năm nữa, và xa hơn là dựng một căn cứ trên đó.

Ông Daniel Stubbs, kỹ sư ở NASA Marshall, nói dữ liệu từ các thử nghiệm này sẽ được dùng để xây dựng và kiểm chứng những mô hình dự đoán. Mô hình dự đoán ở đây là các phép tính giúp trả lời trước câu hỏi "nếu tàu hạ cánh kiểu này thì bụi sẽ bay thế nào", mà không cần chờ bay lên tận nơi mới biết.

Còn một điều hay nữa. Toàn bộ bộ thiết bị này được thiết kế theo kiểu mô đun, nghĩa là tháo lắp và thay từng phần được. Muốn thử cho sao Hoả thì đổi đất mô phỏng Mặt Trăng sang loại đất giống cát của sao Hoả, tháo bớt phần cứng ra thay bằng thứ giống tàu đổ bộ sao Hoả, rồi chỉnh áp suất trong quả cầu lên mức giống khí quyển sao Hoả thay vì hạ xuống rất thấp như Mặt Trăng.

"Sao Hoả luôn nằm trong lộ trình của chúng tôi", bà Korzun nói.

Bạn thử ở nhà xem sao

Nếu bạn là người thiết kế tàu, bạn sẽ chọn thế nào? Cho tàu tắt động cơ ở cao hơn, để bụi có thổi lên thì cũng bay xa khỏi tàu? Hay hạ thấp hơn, để luồng khí yếu đi và bụi bắn ít hơn?

Bạn thử đo luôn cho biết. Rắc một lớp bột mì thật mỏng ra khay. Dùng ống hút thổi xuống từ độ cao 5 xăng ti mét, rồi 10, rồi 20. Mỗi lần thổi cùng một hơi. Sau đó đo hai thứ: cái hố lõm giữa lớp bột rộng bao nhiêu, và hạt bột xa nhất bay tới đâu.

Rồi làm lại lần nữa, nhưng bật quạt thổi ngang qua khay. Không khí chuyển động sẽ đổi kết quả. So hai lần với nhau, bạn sẽ thấy đúng cái điều mà NASA phải xây một quả cầu cao bằng toà nhà sáu tầng mới đo được: không khí thay đổi đường đi của bụi nhiều đến mức nào.

Lưu ý

Bài viết dựa trên tin khoa học đã công bố, viết lại cho bạn đọc nhỏ tuổi. Có chỗ nào con muốn tìm hiểu thêm thì rủ bố mẹ đọc cùng nhé.