Mảnh vụn không gian

Mảnh vụn không gian

Nguyễn Thọ Nhân

Hình 1 . Trạm Không gian Quốc tế (ISS). Nguồn: NASA

Ngày 28 tháng Sáu 2011, một mảnh vụn đã bay đến gần Trạm Không gian Quốc tế (ISS, International Space Station), chỉ cách 250m làm người ta sợ xảy ra một vụ va chạm lớn có thể phá huỷ ISS. Các mảnh vụn không gian ngày càng nhiều đang là mối nguy cho các con tàu vũ trụ cũng như cho các vệ tinh đang bay trên quỹ đạo Trái Đất.

Khi được báo là có một mảnh vụn không rõ nguồn gốc đang bay tới với tốc độ gần 47.000 km/giờ và có thể va chạm với Trạm Không gian Quốc tế (Hình 1), sáu phi hành gia gồm 3 người Nga, 2 người Mỹ và 1 người Nhật đang công tác trên ISS phải vội sơ tán vào các phi thuyền Soyouz neo sẵn vào Trạm Không gian để dùng cho những trường hợp cứu hộ như vậy. Vì được báo quá muộn, chỉ 15 giờ trước đấy nên các phi hành gia không đủ thì giờ để lái con tàu tránh xa vật thể đang bay đến. Khoảng 30 phút sau, báo động được dỡ bỏ và các phi hành gia trở lại trạm không gian để tiếp tục làm việc.

Các mảnh vụn trong không gian

Hiện nay, người ta ước tính có đến 22.000 mảnh vụn trong không gian có kích thước lớn hơn 10 cm bay trên tất cả các quỹ đạo, trong số đó có 2200 vệ tinh đã hết hạn sử dụng hay các tầng tên lửa cuối cùng đã đưa các vệ tinh vào quỹ đạo. Những mảnh vụn lớn có chiều dài vượt quá 20 m và đường kính trên 5 m. Ngoài ra còn có khoảng 650.000 mảnh vụn nhỏ hơn cỡ 1 đến 10 cm và khoảng 150 triệu hạt nhỏ hơn 1 cm nhưng khối lượng tổng cộng của chúng vượt quá 5 triệu kilôgram.

Phần lớn các mảnh vụn này được tìm thấy ở độ cao giữa 800 km và 1500 km, vùng không gian có nhiều vệ tinh được phóng lên. Ở đấy, khí quyển rất loãng và lực ma sát không đủ để đốt cháy chúng như ở những quỹ đạo thấp hơn. Các mảnh vụn này vì thế có thể tồn tại hàng thế kỷ hay hàng thiên niên kỷ.

Phân loại các mảnh vụn không gian

Howard Baker trong The American Journal of International Law năm 1992 đã chia các mảnh vụn không gian thành 4 loại:
-    các mảnh vụn không còn có hoạt động. Đó là các vệ tinh đã cạn hết nhiên liệu, hoặc không hoạt động tốt hay không còn điều khiển được,
-    các mảnh vụn còn có hoạt động. Đó chủ yếu là các thân tên lửa còn ở lại trên quỹ đạo sau khi đã phóng vệ tinh,
-    các mảnh vụn bị vỡ. Chúng được tạo ra từ các vật thể không gian sau các vụ nổ, va chạm, hỏng hóc. Các va chạm có thể xảy ra giữa các vật thể không gian và các mảnh vụn nhân tạo hay thiên nhiên trên quỹ đạo.

-    các hạt nhỏ bé. Chúng có xuất xứ từ các bề mặt hay các lớp sơn của các con tàu vũ trụ bị thoái hoá trong môi trường khắc nghiệt của không gian.

Sự hình thành các mảnh vụn không gian

Các mảnh vụn đều có nguồn gốc từ các bộ phận của những thiuết bị phóng vào không gian. Từ năm 1957 đến năm 2006. số các chuyến bay trên quỹ đạo Trái Đất hay ra ngoài Trái Đất lên đến 4477. Mỗi chuyến bay có thể tạo ra nhiều loại mảnh vụn to nhỏ khác nhau. Trước hết là các tầng tên lửa sau khi hoàn thành nhiệm vụ phóng vệ tinh  có thể ở lại quỹ đạo. Nhiều vệ tinh sau thời gian hoạt động có ích cũng được bỏ lại trên quỹ đạo cũng như các bộ phận của tàu vũ trụ đước tách ra khỏi nhau để đáp ứng các mục đích khác nhau của chuyến bay.

Nhưng các vụ nổ và các va chạm trong không gian là nguồn lớn nhất tạo ra các mảnh vụn. Chỉ trong năm 2005, đã có đến 180 vụ nổ trên quỹ đạo tạo ra 40% các mảnh vụn không gian của năm ấy. Ngày 23 tháng 6-1961, tấng trên cùng của tên lử Able Star dùng để phóng vệ tinh Transit-4A đã nổ và tạo ra 296 mảnh vụn được Cơ quan Hàng không và Vũ trụ Mỹ theo dõi. Đến tháng Giêng 2007, 181 mảnh vụn này vẫn còn bay trên quỹ đạo. Tháng 2-2006, tên lửa Vanguard-3 bị một va chạm nhỏ và tung ra một mảnh vụn đặc biệt có tốc độ chậm bay trên quỹ đạo giữa 510 km và 3310 km. Tháng 12-2006, tầng 2 của một tên lửa Delta có 17 năm tuổi đã phát ra 36 mảnh vụn ở độ cao giữa 685 và 790 km và chúng dần dần rơi hết xuống mặt đất, chỉ còn lại ba mảnh. Tháng 1-2006, bộ xử lý của vệ tinh địa tĩnh Mỹ Galaxy-3R bị hỏng và vệ tinh không còn điều khiển được nữa nên người ta không lái được nó ra khỏi quỹ đạo địa tĩnh. cả vệ tinh Galaxy-3R trở thành một mảnh vụn quan trọng. Năm 2009, hai vệ tinh của Nga là Kosmos-2251 và Iridium-33 đã đâm vào nhau trên quỹ đạo ở độ cao 780 km trên bầu trời Siberia, tạo ra rất nhiều mảnh vụn. Người ta cũng tính thêm vào số này nhiều mảnh vụn bất ngờ như cái găng tay của Ed White bị tuột ra khi phi hành gia này thực hiện cuộc đi bộ trong không gian năm 1965, hoặc cái tuốc nơ vít bị rơi ra ngoài không gian na9m 1984 khi các nha du hành vũ trụ đang sửa chũa vệ tinh Solar Max.

Vào tháng Giêng-2007, Mạng lưới Giám sát Không gian của Mỹ (SSN, US Space Surveillance Network) đã kiểm kê được trên 30.000 vật thể trong không gian, trong số đó có 8% là các con tàu vũ trụ đang hoạt động, 50% là các vệ tinh chết và các tầng tên lửa và các vật thể phục vụ cho các chuyến bay. Số 42% còn lại gồm các mảnh vỡ của các thiết bị từ năm 1961. Cho đến năm 2007, đã có 189 vệ tinh bị vỡ. Chương trình Mảnh vụn Quỹ đạo của NASA (ODPO, Orbital Debris Programme Office) là tổ chức có uy tín nhất trên thế giới theo dõi các vấn đề mảnh vụn không gian. ODPO đã có những chương trính máy tính kiểm kê và cập nhật các mảnh vụn. Trên Hình 2, ta có vị trí của các mảnh vụn ở quỹ đạo thấp, dưới 2000 km, do máy tính vẽ ra.

Hình 2 . Các mảnh vụn không gian ở quỹ đạo thấp . Nguồn: NASA, ODPO

Phần lớn các mảnh vụn này bay ở độ cao trên 850 km, phần lớn giữa hai độ cao 700 và 1000 km (vệ tinh viễn thám), khoảng 1400 km (vệ tinh viễn thông) và gần 16.000 km (vệ tinh địa tĩnh).

Các nguy cơ va chạm

Các nguy cơ va chạm là mối lo lớn đối với những vệ tinh đang hoạt động và các chuyến bay vũ trụ có người lái. Ở tốc độ 28.000 km/giờ, một mảnh vụn chỉ lớn 1 cm sẽ có đủ động năng để phá huỷ một con tàu không gian loại trung. Những mảnh vụn nhỏ hơn, cỡ 1 mm cũng có thể phá huỷ những bộ phận nhạy cảm của các phi thuyền. Các nghiên cứu ở phòng thí nghiệm cho thấy một giọt xút NaOH lỏng va chạm với tốc độ 10 km/s đã có sức công phá của một trái lựu đạn và một mảnh vụn 10 cm có sức công phá của 25 bánh thuốc nổ đinamít.

Ngày 19 tháng 2-2007, tầng Breeze-M trên một tên lửa Proton của Nga bay giữa 1500 km và 400 km đã nổ tung sau một năm trên quỹ đạo, tạo ra nhiều mảnh vụn. Sự cố này rất nguy hiểm đối với Trạm Không gian ISS vì nó có cùng độ nghiêng 51°5 như tầng Breeze-M. Cuộc va chạm của hai vệ tinh Nga Kosmos-2251 và Iridium-33 năm 2009 cũng tạo ra rất nhiều mảnh vụn. Nhưng một sự kiện nghiêm trọng d0 con người cố tình tạo ra một đám mây mảnh vụn trong không gian đã xảy ra ngày 11 tháng Giêng-2007 khi một tên lửa mặt đất của Trung Quốc được bắn lên để phá huỷ vệ tinh Phong Vân-1C, một vệ tinh khí tượng đã được phóng lên quỹ đạo 650 km từ năm 1999. Đây là một thành công lớn của nền kỹ thuật không gian quân sự của Trung Quốc nhưng lại là một thảm hoạ đối với ngành hàng không vũ trụ thế giới. 1100 mảnh vỡ lớn hơn 10 cm phát ra từ vệ tinh Phong Vân-1C tạo thành một đám mây dày đặc bay giữa các độ cao 200 km và 3850 km tức là trên tất cả các quỹ đạo thấp của vệ tinh quanh Trái Đất. Ngoài ra còn có thể có hàng triệu mảnh vụn nhỏ hơn, NASA ước tính rằng một phần tư các mảnh vụn được kiểm kê trên các quỹ đạo thấp của Trái Đất (LEO, Low Earth Orbit) có xuất xứ từ vệ tinh Trung Quốc. Ở độ cao 850 km, các mảnh vụn này có thể tồn tại ít nhất là 2 thế kỷ còn trên 4000 km, thời gian sống của chúng phải tính hàng nghìn năm.

Hình 3 - Số các vật thể không gian và nguồn gốc của chúng. Nguồn : Futron Corporation, 2006

Vì số các vệ tinh phóng lên không gian ngày càng cao (Hình 3) nên khả năng va chạm với các mảnh vụn cũng ngày càng lớn. Hai chuyên gia của NASA là Liou và Johnson đã phân tích chi tiết và dự đoán các nguy cơ va chạm trong một báo cáo nổi tiếng (Science 311, 2006). Theo các tác giả, khoảng 60% các va chạm sẽ xảy ra giữa các độ cao 900 và 1000 km làm cho số các mảnh vụn có kích thước lớn hơn 10 cm sẽ tăng lên gấp 3 lần sau 20 năm, xác suất va chạm cũng tăng gấp 10 lần.

Các nguy cơ va chạm sẽ gây tổn thất lớn cho nền kinh thế thế giới khi ngành công nghiệp không gian vũ trụ phải chịu nhiều rủi ro, ngành này hiện có doanh thu khoản 16 tỷ USD nhờ sự phát triển của các vệ tinh viễn thông quốc tế. Để phóng lên vệ tinh Vinasat-1, chúng ta đã phải đầu tư trên 300 triệu USD.

Những công ước quốc tế về các mảnh vụn không gian

Người ta nhận thấy rằng khoảng không vũ trụ, nhất là các quỹ đạo gần Trái Đất là những tài nguyên thiên nhiên cần phải được bảo vệ vì lợi ích chung của nhân loại. Các quỹ đạo địa tĩnh (36.000 km) ngày càng được sử dụng và số vệ tinh bay trên quỹ đạo này ngày càng nhiều. Cũng như các dòng sông quốc tế hay các vùng lãnh hải, mặc dù có nhiều công ước hay hiệp ước quy định việc sử dụng nhưng vẫn có những quốc gia không chịu tuân thủ các điều khoản ứng xử trong không gian theo quy định. Thậm chí tám quốc gia vùng xích đạo đã ra tuyên bố đòi quyền kiểm soát vùng quỹ đạo địa tĩnh nằm trên địa phận của họ. Đòi hỏi này được đưa ra tại hội nghị Bogota năm 1976 nhưng chưa được thế giới chấp nhận.

Hiện nay, việc sử dụng không gian chưa được các quy định quốc tế xác định rõ và không có những chế tài dứt khoát nên còn nhiều quốc gia vẫn còn tuỳ tiện trong việc khai thác khoảng không vũ trụ. Trong số các quy định quốc tế, ta có thể kể:

-    Hiệp ước khoảng không vũ trụ (Outer Space Treaty) năm 1966
-    Hiệp định về cứu hộ (Rescue Agreement) năm 1967
-    Công ước về Đền bù (Liability Convention) năm 1971
-    Công ước về Đăng ký (Registration Convention) năm 1974
-    Hiệp ước về mặt Trăng (Moon Treaty) năm 1979

Một công ước về mảnh vụn không gian đang được xem là cần thiết sau vụ phá huỷ vệ tinh Phong vân-1C. Từ năm 2002, Uỷ ban Liên Cơ Quan Phối hợp các Mảnh vụn Không gian (IASDCC) có sự tham gia của 11 Cơ quan không gian chính trên thế giới đã thống nhất về một số biện pháp để quản lý nhằm giảm bớt số mảnh vụn. Năm 2007, Uỷ ban Liên Hiệp quốc về sử dụng Hoà bình Khoảng không Vũ trụ (COPUOS) đã thông qua những hướng dẫn về việc giảm thiểu tác hại của các mảnh vụn không gian. Hướng dẫn này đã được Đại Hội đồng Liên Hiệp quốc thông qua vào tháng 5-2008. Hướng dẫn này gồm việc thiết kế và quản lý các tàu vũ trụ với mục đích giảm số mảnh vụn phát ra trong quá trình hoạt động, giảm nguy cơ vỡ tan trên quỹ đạo, tránh việc tự phá huỷ và có đề cập đến các vấn đề chất độc và chất phóng xạ dùng trong các hệ thống năng lượng phóng vào không gian. Tháng 6-2010, Tổ chức Chính sách Không gian Quốc gia của Mỹ cũng đưa ra một khuyến cáo để “giảm thiểu và lấy đi các mảnh vụn trên quỹ đạo, loại bỏ các nguy cơ gây ra bởi các mảnh vụn.”

Trước khi có các biện pháp hữu hiệu để loại bỏ các mảnh vụn trên quỹ đạo, người ta phải tìm cách kiểm soát sự sản sinh ra các mảnh vụn trong không gian bằng cách tránh các vụ nổ của những bình chứa nhiên liệu chưa cháy hết hay thay quỹ đạo cho các vệ tinh, đưa chúng xuống những quỹ đạo thấp một khi chúng đã hoàn thành nhiệm vụ. Trong “Sống sót qua 1000 thế kỷ” (Bản dịch tiếng Việt của Nguyễn Thọ Nhân, NXB Tri thức 2011) tác già Roger Bonnet đưa ra đề nghị kéo các vệ tinh đã hết thời hạn sử dụng lên Mặt Trăng để giải phóng quỹ đạo địa tĩnh, đồng thời tái tuần hoàn các thiết bị không gian và thu hồi các kim loại quý dùng trong việc chế tạo các vệ tinh. Gần đây, Cơ quan Không gian Nhật Bản (JAXA) đã kết hợp với công ty sản xuất lưới đánh cá Nitto Seimo để chế tạo những tấm lưới rộng vài cây số nhằm thu gom các mảnh vụn. Theo Nitto Seimo, lưới này sẽ có ba lớp giây kim loại rất chắc chắn có đường kính 1mm và nó sẽ ở trên không gian khoảng một vài tuần mỗi lần. Lưới này và các mảnh vụn thu được sẽ mang điện tích và được kéo về  nhờ từ trường của Trái Đất, như vậy tránh được khả năng cháy trong khí quyển.