Vào năm 2030, Trạm Vũ trụ Quốc tế (ISS) sẽ chính thức ngừng hoạt động, sau đó sẽ được đưa ra khỏi quỹ đạo và phá hủy. Cách thức cụ thể để thực hiện điều này vẫn là một câu chuyện đáng bàn, vì có rất nhiều vấn đề kỹ thuật cần phải giải quyết.

Tuần qua, trang www.space.com đã có một bài viết bàn việc sử dụng một phương tiện hạ quỹ đạo do Hoa Kỳ phát triển để đưa ISS trở lại Trái Đất và phá hủy nó và “chôn chặt” ISS dưới lòng đại dương. Mới đây nhất, trang BBC Science Focus trình bày thêm nhiều khía cạnh kỹ thuật cần xem xét để thực hiện phương án tiêu hủy này. Có khá nhiều mẩu chuyện thú vị trong đó.

Thờ điểm không còn xa, khi 400 tấn kim loại rực lửa sẽ lao qua bầu khí quyển với tốc độ cao. Một ngôi sao băng có một không hai – đây có thể là cảnh tượng chúng ta chứng kiến vào năm 2031 khi ISS, sau ba thập kỷ quay quanh Trái Đất, rơi trở lại bầu khí quyển và bị phá hủy.

Là công trình lớn nhất từng được xây dựng trong quỹ đạo, ISS đã từ lâu là biểu tượng cho sự khám phá không gian của loài người. Công trình này bắt đầu được xây dựng từ năm 1998 với tổng chi phí lên tới 150 tỷ USD, và những chuyến lưu trú dài hạn đầu tiên bắt đầu từ tháng 11 năm 2000.

Kể từ đó, ISS chưa từng trống vắng, với dòng chảy liên tục của các phi hành gia đến từ 20 quốc gia khác nhau. Một thế hệ người trưởng thành ngày nay có thể tự hào nói rằng – lần đầu tiên trong lịch sử nhân loại – luôn có người sống ngoài hành tinh (living off-planet) mỗi ngày trong cuộc đời họ.

Tuy nhiên, mọi thứ tốt đẹp đều có hồi kết, và ISS đang bắt đầu lộ dấu hiệu của tuổi tác.

Nga đã cảnh báo rằng ít nhất 80% hệ thống trên phần ISS do họ quản lý đã vượt quá hạn sử dụng. Những vết nứt đã xuất hiện trong module hàng hóa Zarya và một loạt các vụ rò rỉ không khí đã xảy ra ở khu vực sinh hoạt của các phi hành gia.

Nga cam kết hỗ trợ ISS cho đến năm 2028, nhưng hậu quả của cuộc chiến tại Ukraine đã ảnh hưởng đến thiện chí của cộng đồng không gian quốc tế trong việc hợp tác với Nga sau thời điểm đó.

Liên minh mong manh về mặt chính trị giữa các cơ quan không gian đứng sau ISS đã đồng thuận vài năm trước rằng sứ mệnh này sẽ kết thúc muộn nhất vào năm 2030. Và giờ đây, chúng ta đã biết thêm một chút về cách thức diễn ra chương cuối cùng này.

Vào tháng 6 năm nay, NASA thông báo rằng họ đã trao hợp đồng trị giá 1 tỷ USD cho công ty SpaceX của Elon Musk để hỗ trợ phá hủy ISS. SpaceX sẽ gắn một thiết bị kéo vào trạm vũ trụ và kéo nó xuống bầu khí quyển để hoàn tất số phận của trạm.

Chiến dịch dọn dẹp

Đáng tiếc, ISS sẽ cần phải được đưa ra khỏi quỹ đạo và phá hủy. Nếu chúng ta cứ để nó ở đó, nó sẽ trở thành mục tiêu dễ bị va chạm (sitting duck for collisions) với rác không gian hoặc các mảnh vỡ tự nhiên khác. Hiện tại, trạm đã phải thực hiện một số lần điều chỉnh quỹ đạo để né tránh những nguy hiểm này.

“ISS có thể bị vỡ ra và tạo ra nhiều mảnh vỡ và rác không gian,” Giáo sư John Crassidis, chuyên gia về rác không gian tại Đại học Buffalo, New York, cho biết. “Những mảnh vỡ đó có thể va vào nhau và dẫn đến một hiện tượng gọi là Hội chứng Kessler,” ông nói.

Hội chứng Kessler là một phản ứng dây chuyền, trong đó các vụ va chạm tạo ra nhiều mảnh vỡ hơn và nhiều vụ va chạm hơn, đe dọa đến các cơ sở hạ tầng không gian quan trọng của chúng ta, bao gồm cả các vệ tinh dự báo thời tiết và thông tin liên lạc. Trong trường hợp tệ nhất (At its worst), quỹ đạo thấp của Trái Đất – nơi ISS và các vệ tinh đang hoạt động – sẽ trở nên không thể sử dụng trong nhiều thế hệ. Vì lý do này, việc phá hủy ISS bằng cách cho nó nổ tung không phải là lựa chọn khả thi.

Một lý do khác khiến chúng ta không thể cứ để ISS ở nguyên vị trí hiện tại, theo Crassidis, là vì “nó sẽ tự rơi xuống.” ISS mất cao độ một cách tự nhiên khoảng 100 mét mỗi ngày do lực kéo từ những phần không khí ít ỏi còn sót lại ở độ cao hiện tại.

Các nhà điều khiển phải thường xuyên tăng độ cao cho ISS để giữ nó trong quỹ đạo. Khi phi hành đoàn cuối cùng rời khỏi trạm, lực kéo tự nhiên này sẽ tiếp tục làm mất năng lượng bay quỹ đạo của ISS cho đến khi nó tái nhập bầu khí quyển.

Theo Giáo sư Hugh Lewis từ Đại học Southampton, điều này sẽ xảy ra “trong vòng vài tháng đến một năm.” Lewis cũng lưu ý rằng một số vệ tinh ở quỹ đạo cao hơn thường thực hiện một bước “đốt cháy cuối cùng” để được đưa vào quỹ đạo “nghĩa địa” xa hơn, nơi chúng an toàn hơn. Tuy nhiên, ISS ở quỹ đạo quá thấp và kích thước quá lớn để thực hiện cách này, ông nói. Vì vậy, việc nó rơi xuống là điều không thể tránh khỏi.

Hạ cánh có kiểm soát

Giáo sư Crassidis cho biết, gần đây đã xuất hiện nhiều cảnh báo về hậu quả của việc để các vật thể tái nhập bầu khí quyển một cách không được giám sát và không kiểm soát.

Vào tháng 3 năm nay, một mảnh rác không gian nặng 1kg đã lao xuyên qua mái nhà của một ngôi nhà ở Florida, xuyên qua hai tầng và để lại một lỗ thủng trên sàn, may mắn thay không ai bị thương.

Mảnh vỡ này là một phần của tấm pin đã qua sử dụng nặng 2,9 tấn được ISS thải bỏ vào năm 2021. ISS nặng hơn tấm pin này hơn 100 lần và khi nó rơi xuống, sẽ tương đương với hai con cá voi xanh rơi từ trên trời xuống.

Crassidis cũng chỉ ra rằng, trong những năm gần đây, cơ quan vũ trụ Trung Quốc đã để tên lửa Trường Chinh của họ rơi trở lại Trái Đất trong các lần tái nhập không kiểm soát, mà gần như không biết các mảnh vỡ sẽ rơi xuống đâu.

Năm 2022, một tên lửa đã rơi xuống biển ngay ngoài khơi bờ biển Philippines, với một số phần rơi vào đất liền (making landfall) ở Indonesia và Malaysia. Tuy nhiên, đầu năm nay, một đoạn phim đáng sợ xuất hiện, ghi lại cảnh người dân ở Xianqiao, Trung Quốc, hoảng loạn chạy trốn khi một vệt khói vàng rơi từ trên trời xuống.

Rõ ràng, việc biết chính xác nơi các mảnh vỡ sẽ kết thúc là an toàn hơn rất nhiều. “Với một lần tái nhập có kiểm soát, xác suất có người bị thương trên mặt đất là dưới 1 trên 10.000,” Crassidis cho biết. “Bạn có nhiều khả năng bị sét đánh hơn là bị thương bởi rác không gian rơi xuống.”

Tìm đường đến Nemo

Để tối đa hóa khả năng thành công, các kỹ sư điều khiển sứ mệnh sẽ nhắm đưa ISS rơi xuống nơi xa người nhất có thể. Vị trí lý tưởng là một khu vực hẻo lánh ở Thái Bình Dương được gọi là Điểm Nemo, hay còn được biết đến như “nghĩa địa tàu vũ trụ.” Đây là nơi yên nghỉ cuối cùng của hàng trăm tàu vũ trụ, bao gồm cả trạm không gian Mir, đã rơi xuống vào năm 2001.

Năm 2026 sẽ đánh dấu khởi đầu của hồi kết (beginning of the end), khi các nhà điều khiển sứ mệnh để ISS giảm dần độ cao từ quỹ đạo hiện tại là 400km xuống còn 320km. Các phi hành gia cuối cùng sẽ rời trạm khoảng sáu tháng trước ngày dự kiến ISS tái nhập bầu khí quyển.

Vẫn chưa rõ liệu đội phi hành gia cuối cùng có được yêu cầu thu hồi hiện vật và mang về Trái Đất để trưng bày trong các bảo tàng hay chương trình giáo dục hay không.

Khi không còn ai trên đó, ISS sẽ tiếp tục hạ xuống 280km, trước khi tàu kéo của SpaceX kéo nó xuống 220km. Thiết kế tàu kéo này là phiên bản cải tiến từ khoang tàu Dragon của SpaceX, đã vận chuyển hàng hóa lên ISS trong hơn một thập kỷ – mặc dù không phải lúc nào mọi việc cũng diễn ra theo kế hoạch (go to plan), như câu chuyện gần đây liên quan đến các phi hành gia NASA Butch Wilmore và Suni Williams cho thấy.

Wilmore và Williams dự định chỉ ở lại không gian trong tám ngày sau khi thử nghiệm khoang tàu Boeing Starliner mới. Tuy nhiên, do sự cố với khoang tàu, họ có thể phải ở lại đó đến tháng 2 năm 2025.

Năm 2023, Frank Rubio vô tình phá kỷ lục Mỹ về thời gian ở lại không gian lâu nhất khi khoang tàu Soyuz đáng lẽ đưa anh về sớm hơn đã bị hư hại.

Nếu mọi thứ diễn ra theo kế hoạch, việc đưa ISS xuống độ cao 220km sẽ cho phép bầu khí quyển dày hơn thực hiện phần còn lại, làm mất năng lượng quỹ đạo của trạm vũ trụ đến mức định mệnh của nó đã được định đoạt.

Trong vòng một giờ, mọi phần còn lại của ISS sẽ nằm trong tình trạng nát bấy dưới đáy đại dương, sau khi rơi xuống biển với tốc độ vài trăm km một giờ, giảm từ 28.970km/h khi bắt đầu tái nhập.

Ma sát mạnh (Intense friction) với bầu khí quyển sẽ tạo ra một đám cháy hủy diệt. “Các tấm pin mặt trời sẽ là những phần đầu tiên tách ra và vỡ vụn,” giáo sư Crassidis cho biết.

Tuy nhiên, không phải mọi phần của ISS đều bị thiêu rụi. Các đoạn khung sườn (truss segments), là bộ xương của ISS, là một trong những phần có khả năng sống sót cao nhất khi tái nhập và rơi xuống đại dương. Toàn bộ cảnh tượng có thể được nhìn thấy từ một số hòn đảo Thái Bình Dương (khi trạm Mir rơi xuống, các nhà khoa học tên lửa Nga đã theo dõi nó xé toạc bầu trời trên đảo Fiji).

Các nhà điều khiển sứ mệnh không chắc chắn hoàn toàn về nơi tất cả các mảnh vỡ sẽ rơi xuống, ngay cả trong trường hợp tái nhập có kiểm soát. Các mảnh vỡ từ Mir đã rơi rải rác trên một khu vực rộng lớn bao phủ 1.500km x 100km. New Zealand và Nhật Bản đều đã cảnh báo các thủy thủ về nguy cơ nhỏ – nhưng không thể bỏ qua – là bị cuốn vào cơn mưa kim loại không gian.

Năm 1979, NASA đã đưa trạm không gian Skylab xuống, nhằm vào khu vực Nam Đại Tây Dương hoặc Ấn Độ Dương. Tuy nhiên, họ đã không đạt được mục tiêu, và các mảnh vỡ đã rơi xuống miền Tây nước Úc.

Không có thương vong nào, nhưng Hội đồng Shire của Esperance tại địa phương đã gửi NASA một khoản phạt tượng trưng trị giá 400 đô-la Úc vì xả rác, mà đến nay vẫn chưa được trả. Ít nhất, việc nhắm ISS vào Điểm Nemo cho phép các nhà điều khiển sứ mệnh có một biên độ sai sót lớn hơn.

Rủi ro và cạm bẫy

Một trở ngại tiềm ẩn trong kế hoạch trên là một vài biến số vẫn chưa được hiểu rõ. “Có những điều chúng ta chưa biết đủ rõ như mong muốn,” giáo sư Crassidis nói, “như chính xác có bao nhiêu phân tử không khí trong tầng khí quyển cao.” Điều này kiểm soát mức độ lực cản tự nhiên mà ISS phải chịu. Hơn nữa, nó cũng luôn thay đổi.

Khi trạm Mir tái nhập, nó mất độ cao từ 200–650m mỗi ngày do lực cản khí quyển (atmospheric drag). Lượng mất mát chính xác không thể dự đoán do sự thay đổi trong cách Mặt Trời làm nóng tầng khí quyển cao.

Bão Mặt Trời cũng có thể gây rối loạn khí quyển. Các vụ phun trào bùng nổ từ Mặt Trời được gọi là phun trào khối lượng vành nhật hoa có thể tạm thời làm dày các lớp khí quyển ngoài và tăng lực cản. Với ISS, các nhà điều khiển sứ mệnh sẽ phải theo dõi chặt chẽ tất cả các yếu tố này và tính toán rủi ro cẩn thận.

Ngay cả khi mọi việc diễn ra theo kế hoạch và ISS rơi an toàn xuống vùng nước quanh Điểm Nemo, vẫn có những lo ngại ở một số nơi về tác động của việc thải quá nhiều phần cứng không gian xuống đại dương.

NASA đã thừa nhận rằng một số vật liệu độc hại hoặc phóng xạ có thể vượt qua quá trình tái nhập và thậm chí rò rỉ vào nước Thái Bình Dương. Một ví dụ rõ ràng là hydrazine, được sử dụng làm nhiên liệu tên lửa.

Việc thải ISS xuống đại dương có thể còn là bất hợp pháp. Theo Điều 192 của Công ước Liên Hợp Quốc về Luật Biển, các quốc gia “có nghĩa vụ bảo vệ và duy trì môi trường biển.” Tuy nhiên, không có lựa chọn nào khác, vì các giải pháp thay thế có khả năng dẫn đến kết cục tồi tệ hơn.

Tiếp theo là gì?

Khi ISS không còn hoạt động, tương lai của các chuyến bay không gian dài hạn sẽ ra sao? Đã có trạm vũ trụ Tiangong của Trung Quốc, hoạt động từ năm 2021.

Nhưng cũng có một sự thay đổi lớn trong tương lai gần (on the horizon). Quỹ đạo Trái Đất thấp sẽ dần trở thành nơi dành cho các hoạt động giải trí hơn là lãnh địa của các phi hành gia chuyên nghiệp. Một loạt các trạm không gian thương mại đang được xây dựng để phục vụ khách hàng trả phí. Những trạm này cũng sẽ được sử dụng để thử nghiệm sản xuất và các quy trình công nghiệp khác trong môi trường không trọng lực.

Các dự án thương mại của Mỹ đang được lên kế hoạch bao gồm trạm không gian Axiom, Orbital Reef và Starlab. Ngoài ra còn có Gateway của NASA – một trạm không gian quay quanh Mặt Trăng. Gateway sẽ đóng vai trò như một căn cứ để các phi hành gia điều khiển robot trên bề mặt Mặt Trăng trong thời gian thực hoặc trực tiếp xuống nghiên cứu và lấy mẫu bề mặt. Quá trình lắp ráp trên quỹ đạo (In-orbit assembly) dự kiến sẽ bắt đầu vào năm 2028.

Ấn Độ cũng đang đạt được những bước tiến lớn trong khám phá không gian và đã thực hiện hàng loạt thành công trong những năm gần đây, bao gồm việc lần đầu tiên tìm thấy nước trên Mặt Trăng. Ấn Độ dự định xây dựng trạm không gian của riêng mình vào những năm 2030, nhưng thời gian lưu trú sẽ bị giới hạn tối đa 20 ngày. Đây là khoảng thời gian ngắn hơn đáng kể so với một số nhiệm vụ ISS, có thể kéo dài hơn một năm.

Tất cả những dự án này sẽ không thể thực hiện được nếu không có vô số bài học từ ba thập kỷ ISS quay quanh Trái Đất. Nếu một ngày nào đó chúng ta mở rộng và xây dựng các tiền đồn trên Mặt Trăng, Sao Hỏa hay xa hơn nữa, các nhà sử học tương lai chắc chắn sẽ nhìn lại Trạm Vũ trụ Quốc tế như một dự án mang tính bước ngoặt đã khởi đầu tất cả.