Quỹ đạo Trái Đất thấp (LEO) đang trên đà chứng kiến sự mở rộng mạnh mẽ của các hoạt động có người điều khiển, nhưng sự gia tăng của rác không gian có thể đe dọa những sứ mệnh này và tạo ra các nguy cơ an toàn cho phi hành gia.

Khi Trạm Vũ trụ Quốc tế (ISS) chuẩn bị ngừng hoạt động vào năm 2030, một thế hệ trạm vũ trụ thương mại mới như Starlab, Orbital Reef, Axiom Station và Haven-1 đang được phát triển để thay thế. Đồng thời, tàu Crew Dragon của SpaceX vẫn tiếp tục đưa phi hành gia lên ISS và các điểm đến khác, với các sứ mệnh như Fram2 và Axiom Mission 4 cho thấy nhiều tiềm năng ứng dụng. Thậm chí, tàu Starship có thể được sử dụng như một trạm nghiên cứu trên quỹ đạo trong tương lai.

Tuy nhiên, rác không gian sẽ là thách thức đáng kể đối với giai đoạn tiếp theo của các chuyến bay vũ trụ có người. Hơn một nửa các nguy cơ va chạm trên quỹ đạo thấp đến từ rác không gian, bao gồm các vệ tinh không còn hoạt động, tầng tên lửa đã sử dụng và những mảnh vỡ nhỏ hơn do va chạm, nổ hoặc các cuộc thử nghiệm chống vệ tinh tạo ra. Trong năm năm qua, ISS đã phải thực hiện 14 lần cơ động tránh va chạm do mối đe dọa từ các mảnh rác này.

Khi các trạm vũ trụ tư nhân và sứ mệnh có người ngày càng phổ biến, nguy cơ va chạm nghiêm trọng cũng tăng theo. Giải quyết vấn đề này đòi hỏi một chiến lược đa hướng, từ ngăn ngừa các sự cố tạo mảnh vỡ mới, giảm rác do phóng tên lửa, cải thiện khả năng phát hiện các vật thể nhỏ dưới 10 cm, đến triển khai các công nghệ dọn dẹp rác chủ động.

Tương lai của các hoạt động có người trong quỹ đạo thấp Trái đất phụ thuộc vào khả năng bảo vệ môi trường quỹ đạo an toàn. Nếu không có hành động kịp thời, chính hạ tầng phục vụ khám phá không gian có thể trở thành mối nguy lớn nhất.

Ngăn ngừa các sự cố tạo mảnh vỡ

Các vụ vỡ vệ tinh ngoài ý muốn vẫn là một trong những nguyên nhân chính gây ra các vùng mảnh vỡ nguy hiểm trong quỹ đạo thấp. Nhiều vụ trong số đó bắt nguồn từ những lỗi có thể dự đoán trước, như hỏng hệ thống điện, lỗi động cơ đẩy hoặc mỏi cấu trúc.

Cần giải quyết các vấn đề này bằng thiết kế vệ tinh nghiêm ngặt hơn và các quy trình vận hành xuyên suốt vòng đời để giảm nguy cơ trục trặc trên quỹ đạo. Ưu tiên hàng đầu là xử lý năng lượng còn lại (passivation).

Dù tiêu chuẩn NASA đã yêu cầu passivation với các sứ mệnh của Mỹ, các nhà vận hành nên áp dụng quy trình chủ động hơn, như passivation tự động nếu mất liên lạc với trạm điều khiển mặt đất. Các biện pháp khác như van xả nhiên liệu, ngắt pin, hoặc khóa phần mềm nhằm ngăn tích trữ năng lượng sau khi vệ tinh hết vòng đời cũng nên được sử dụng để giảm nguy cơ phát nổ.

Các sự cố về pin (đặc biệt là nổ pin) vẫn là nguyên nhân chưa được xử lý triệt để. Pin lithium-ion, nếu không được cách nhiệt, giám sát và thiết kế phù hợp để xả khí (outgassing), có thể gây hỏng nghiêm trọng. Vụ nổ pin trên vệ tinh DMSP Flight 13 đã tạo ra một vùng rác kéo dài.

Ngoài thiết kế, các nhà vận hành cũng cần đầu tư vào giảm rủi ro suốt vòng đời vệ tinh, bao gồm lập kế hoạch chấm dứt hoạt động tốt hơn, phân tích lỗi và huấn luyện nhân viên mặt đất để đối phó. Việc xác minh xử lý sau sứ mệnh cần được coi trọng không kém giai đoạn chuẩn bị phóng.

Giảm rác từ các vụ phóng

Các vụ phóng tên lửa thường xuyên là một nguồn lớn tạo ra rác không gian. Khi tần suất phóng tăng mạnh, cần đảm bảo các vụ phóng định kỳ không để lại vật thể nguy hiểm trong quỹ đạo.

Tiêu chuẩn toàn cầu thiếu đồng nhất khiến nhiều tầng trên của tên lửa còn tồn tại trên quỹ đạo hàng năm, thậm chí hàng thập kỷ. Dù các công ty Mỹ như SpaceX hay Rocket Lab đã cải thiện tỉ lệ đưa tầng tên lửa quay lại, vẫn còn nhiều việc phải làm. Năm 2023, Cục Hàng không Liên bang Mỹ (FAA) đã đề xuất quy định yêu cầu các công ty đưa tầng tên lửa ra khỏi quỹ đạo trong vòng 25 năm. Tuy nhiên, với sự bùng nổ số vụ phóng, mốc thời gian này nên rút ngắn còn dưới 5 năm để cải thiện rõ rệt an toàn quỹ đạo.

Ngoài ra, các quốc gia như Trung Quốc, Nga, Cơ quan Vũ trụ Châu Âu (ESA), Nhật Bản và Ấn Độ cần áp dụng biện pháp chặt chẽ hơn để giảm rác tầng tên lửa. Trung Quốc đặc biệt đáng lo ngại với các vụ phóng chòm vệ tinh quy mô lớn. Một phân tích gần đây cho thấy việc bỏ tầng trên trong quỹ đạo có thể làm tăng nguy cơ va chạm trong hơn một thế kỷ.

Các nhà cung cấp dịch vụ phóng cũng cần đảm bảo tầng trên được xử lý hết năng lượng còn lại để tránh nổ, và phải thiết kế để cháy hoàn toàn khi quay lại khí quyển, giảm phát sinh rác phụ như bu lông, nắp. Việc chia sẻ dữ liệu tiên đoán quá trình phân rã và thông tin xử lý sau sứ mệnh là rất quan trọng để điều phối giao thông không gian minh bạch.

Cải thiện giám sát các mảnh rác nhỏ

Các vật thể nhỏ hơn 10 cm rất khó theo dõi bằng radar hay cảm biến quang học hiện tại. Điều này gây nhiều quan ngại vì có hàng triệu mảnh như vậy trong quỹ đạo.

Ở tốc độ quỹ đạo khoảng 7,8 km/giây, ngay cả vật thể nhỏ cũng gây hư hỏng nghiêm trọng nếu va chạm. Một vật thể cỡ 10 cm, nặng 0,5 kg, có động năng tương đương 3,5 kg thuốc nổ TNT – đủ sức xuyên thủng mô-đun có người ở và gây tác hại ở mức thảm họa. Một mảnh chỉ 1 cm, nặng khoảng 10 gram, có năng lượng tương đương một quả lựu đạn cầm tay. Năm 2016, một mảnh nhỏ chỉ vài phần nghìn milimét đã gây sứt mẻ lớn trên cửa sổ mô-đun Cupola của ISS.

Hiện có nhiều nỗ lực để cải thiện khả năng theo dõi các mảnh nhỏ. Radar mặt đất đang nâng cao độ nhạy, nhưng vẫn gặp khó khăn trong việc phát hiện vật thể dưới 10 cm, đặc biệt ở quỹ đạo nghiêng cao như quỹ đạo cực hoặc đồng bộ Mặt Trời. Mạng lưới kính thiên văn mặt đất đang được mở rộng, nhưng việc triển khai vẫn hạn chế. Cần tăng đầu tư vào cảm biến tại chỗ và thuật toán để theo dõi mảnh nhỏ hiệu quả hơn.

Đầu tư và hợp tác trong lĩnh vực này là thiết yếu để giảm bất định, hoàn thiện danh mục theo dõi và dự đoán tốt hơn các nguy cơ va chạm.

Dọn dẹp bằng robot

Hiện có hơn 3.000 vệ tinh không còn hoạt động và 2.000 tầng tên lửa vẫn còn trôi nổi trên quỹ đạo, nhiều vật thể trong số này đủ lớn để gây ra va chạm thảm khốc.

Công nghệ dọn dẹp rác chủ động (ADR) cần vượt khỏi giai đoạn thử nghiệm để đưa vào sử dụng thực tế. Các cơ chế bắt giữ như lưới, cánh tay robot hay kết nối từ tính đã đạt cấp độ sẵn sàng công nghệ 6+ trong nhiều chương trình. Các dự án như ELSA-d của Astroscale, ADRV của NASA hay ClearSpace-1 của ESA cho thấy tiềm năng trong việc định vị và loại bỏ rác có mục tiêu.

Chính phủ Mỹ nên cung cấp ưu đãi tài chính cho các sứ mệnh dọn dẹp rác nguy hiểm trên quỹ đạo. Một mô hình “rác-vũ-trụ-theo-dịch-vụ”, được NASA hoặc Space Force tài trợ, có thể thu hẹp khoảng cách thương mại hóa.

Khi bước vào giai đoạn hoạt động mới trong không gian, các sứ mệnh có người sẽ bị hạn chế nghiêm trọng nếu môi trường quỹ đạo tiếp tục xấu đi. Mỗi ngày có hàng chục nghìn sự kiện tiếp cận gần (conjunction events), buộc nhiều vệ tinh phải cơ động để tránh va chạm. Trong vòng 72 giờ, ISS thường đối mặt với khoảng 6 sự kiện như vậy, với khoảng cách dưới 15 km – nằm sâu bên trong vùng an toàn 200 km.

Nếu không có hành động cụ thể, việc vận hành quanh các trạm vũ trụ thương mại, nền tảng nghiên cứu và phương tiện vận tải sẽ ngày càng khó khăn.

Ảnh minh họa các vật thể không gian và rác quỹ đạo quanh Trái Đất. Ảnh: Kayhan Space