Bầu trời giờ đây không chỉ có ánh sáng của những ngôi sao lấp lánh nữa mà bay trên đầu chúng ta là hàng ngàn vệ tinh và vật thể. Chúng ta ngày càng phóng nhiều thứ lên quỹ đạo Trái Đất, biến không gian thành một bãi rác khổng lồ với nguy cơ va chạm giữa các vệ tinh ngày càng cao. Nhưng không phải phóng nhiều là hay. Nếu cứ tiếp tục thế này, GPS và Internet có thể "bay màu" bất cứ lúc nào. Để chúng ta có thể livestream một cách mượt mà, các nhà khoa học đã nghĩ ra cách tái sử dụng tên lửa, sửa vệ tinh ngay trên quỹ đạo và thậm chí "đánh cá" rác vũ trụ bằng lưới và lao móc. Nhưng chỉ công nghệ thôi là chưa đủ. Các quốc gia và tổ chức cần làm việc với nhau đề đưa ra luật chơi mới, giúp không gian sạch hơn. Mời anh em đọc bài viết dưới đây để biết chúng ta đang dọn dẹp không gian như thế nào!

10 năm trước, mỗi năm loài người chỉ phóng khoảng 200 vật thể vào không gian. Giờ đây, con số này đã hơn 2.600 và không có dấu hiệu dừng lại. Quỹ đạo Trái Đất tràn ngập rác vũ trụ, từ các vệ tinh không còn hoạt động đến những bộ phận tên lửa đã qua sử dụng. Khu vực này hiện nay chen chúc đến mức các vệ tinh đang hoạt động có nguy cơ va chạm với những mảnh rác từ các thế hệ tàu vũ trụ trước đó. Ngay cả Trạm Vũ trụ Quốc tế cũng thường xuyên phải điều chỉnh quỹ đạo để tránh các mảnh vỡ.

Hiện tại, có hơn 25.000 mảnh rác nhân tạo có kích thước lớn hơn 10 cm đang quay quanh Trái Đất. Khi phóng càng nhiều vật thể lên không gian, nguy cơ những mảnh rác (di chuyển với tốc độ nhanh hơn viên đạn tới 15 lần) va chạm với các tàu vũ trụ đang hoạt động càng lớn, và cứ thế tạo ra nhiều rác nguy hiểm hơn. Chẳng hạn, vụ va chạm thảm khốc vào năm 2009 giữa vệ tinh Nga đã ngừng hoạt động Cosmos 2251 và vệ tinh Iridium đang vận hành đã tạo ra gần 2.000 mảnh vỡ, nhiều trong số đó vẫn đang được theo dõi cho đến ngày nay.

Không gian quỹ đạo là một tài nguyên có hạn, nhưng đang nhanh chóng bị chiếm lĩnh bởi một số ít tổ chức, đặc biệt là SpaceX, OneWeb và Dự án Kuiper của Amazon. Chẳng hạn, SpaceX hiện sở hữu và vận hành phần lớn số vệ tinh đang hoạt động, đồng thời đặt mục tiêu phóng thêm hàng chục nghìn vệ tinh nữa để cung cấp Internet băng thông rộng toàn cầu. Tương tự, Amazon cũng có kế hoạch triển khai 3.236 vệ tinh cho mạng lưới Internet của mình.

Nếu tiếp tục với tốc độ này, không gian sẽ không thể sử dụng được nữa, đặc biệt là khu vực quỹ đạo Trái Đất tầm thấp (LEO), ở độ cao 2.000 km. Hậu quả là chúng ta mất đi định vị GPS, Internet, giám sát Trái Đất và nhiều ứng dụng khác. Hiện nay, gần như mọi vệ tinh được phóng lên đều giống như một món đồ nhựa dùng một lần, nghĩa là dùng xong là bỏ, và trở thành rác vũ trụ. Loài người đang phải đối mặt với một bi kịch chung trong không gian: cho phép tất cả phóng tên vệ tinh và vật thể lên đó, nhưng không có sự điều phối nào, dẫn đến hậu quả là không còn sử dụng được nữa vùng không gian này. Cũng giống như cách chúng ta đang tìm cách bảo tồn hệ sinh thái trên Trái Đất cho các thế hệ tương lai, không gian vũ trụ cũng cần được xem như một môi trường đáng được bảo vệ. Trên thực tế, việc điều phối cách thức vận hành trong không gian là một yếu tố quan trọng để bảo vệ Trái Đất. 

Việc sản xuất, phóng và vận hành vệ tinh cùng tên lửa tiêu tốn một lượng lớn tài nguyên và năng lượng, góp phần gây ra khí thải nhà kính và làm suy thoái môi trường. Các vụ phóng tên lửa thải ra nhiều chất ô nhiễm vào khí quyển, bao gồm carbon dioxide, bồ hóng và oxit nhôm, gây tổn hại tầng khí quyển và góp phần vào biến đổi khí hậu.

Hơn nữa, việc để các vệ tinh hư hỏng và các tầng tên lửa rơi không kiểm soát, cho phép chúng cháy rụi trong khí quyển, làm gia tăng ô nhiễm không khí và tạo ra nguy cơ các mảnh vỡ rơi xuống gây thiệt hại cho con người và tài sản trên Trái Đất. Chẳng hạn, vào năm 2024, một số bộ phận của SpaceX Dragon, bao gồm một mảnh có kích thước tương đương nắp ca pô xe hơi, đã rơi xuống vùng núi ở North Carolina. Cùng năm đó, một bộ phận bị bỏ đi từ Trạm Vũ trụ Quốc tế đã rơi xuyên qua mái nhà của một căn hộ ở Naples, Florida.

Đến đây, người ta nhắc đến “nền kinh tế không gian tuần hoàn”. Bước đầu tiên là thiết kế tàu vũ trụ bằng các vật liệu giúp giảm thiểu ô nhiễm và hạn chế rác thải. Bước thứ hai là sửa chữa các bộ phận hư hỏng của vệ tinh ngay trên quỹ đạo để kéo dài thời gian hoạt động. Bước thứ ba là tái chế vật liệu từ các vệ tinh không còn hoạt động để phục vụ các sứ mệnh mới, thay vì đưa chúng trở lại Trái Đất. Cuối cùng, chúng ta cần thu hồi và xử lý các mảnh rác vũ trụ để giảm nguy cơ va chạm và tận dụng lại các linh kiện có giá trị.

Tuy nhiên, việc hiện thực hóa một nền kinh tế không gian tuần hoàn sẽ đòi hỏi những công nghệ mới. Hiện tại, chúng ta chưa có các kỹ thuật để bảo trì tất cả tàu vũ trụ trên quỹ đạo, dù một số công ty và cơ quan vũ trụ đang nghiên cứu giải pháp. Chúng ta cần phát triển công nghệ để kéo dài tuổi thọ hoạt động của vệ tinh, giúp giảm bớt nhu cầu thay thế bằng các sứ mệnh tốn kém và tiêu hao nhiều tài nguyên. Cần có những tàu vũ trụ có khả năng tiếp cận, kết nối với các vệ tinh cũ và sử dụng robot để sửa chữa, tiếp nhiên liệu và nâng cấp chúng.

Ngoài ra, chúng ta cũng cần tìm ra cách để tái sử dụng và tái chế vệ tinh khi chúng kết thúc vòng đời hoạt động. Hiện nay, tất cả vệ tinh đều trở thành rác sau khi hoàn thành nhiệm vụ chính, và các vệ tinh mới lại được chế tạo hoàn toàn từ vật liệu mới. Đây là một sự lãng phí lớn. Các nhà nghiên cứu đang phát triển các phương pháp thu hồi vật liệu từ tàu vũ trụ không còn hoạt động để tích hợp vào các thiết bị mới, cũng như sử dụng các công nghệ giúp chế tạo vệ tinh mới từ các linh kiện tái chế.

Một bước tiến tích cực theo hướng này là công nghệ tên lửa tái sử dụng mà SpaceX đang phát triển. Chẳng hạn, các bộ đẩy của tên lửa Falcon 9 có thể hạ cánh theo phương thẳng đứng sau khi được tách ra trong không gian, cho phép chúng được sử dụng lại. Điều này không chỉ giúp tiết kiệm chi phí, tái sử dụng bộ đẩy giúp giảm tới 30% chi phí cho mỗi lần phóng Falcon 9, mà còn giúp giảm lượng rác thải. Tuy nhiên, tính đến nay, SpaceX vẫn là công ty hoặc cơ quan duy nhất phóng vệ tinh bằng tên lửa tái sử dụng. Chúng ta cần nhiều hơn thế.

Mission Extension Vehicle (MEV) của Northrop Grumman

Bên cạnh đó, cũng đã có những bước tiến trong việc bảo trì các vệ tinh đang hoạt động trên quỹ đạo. Công ty SpaceLogistics của Northrop Grumman đã phát triển một tàu vũ trụ mang tên Mission Extension Vehicle (MEV) để hỗ trợ kéo dài tuổi thọ của các vệ tinh cũ. Năm 2020, tàu này đã thành công trong việc kết nối với vệ tinh Intelsat 901, vốn đang cạn nhiên liệu, và bắt đầu sử dụng hệ thống đẩy và nhiên liệu của chính nó để điều khiển cả hai, giúp kéo dài thời gian hoạt động của vệ tinh Intelsat. Một tàu MEV thứ hai đã kết nối với một vệ tinh Intelsat khác vào năm 2021. Khi các vệ tinh này sẵn sàng ngừng hoạt động, MEV có thể tách ra và tiếp tục hỗ trợ các vệ tinh khác cần sự trợ giúp. Chi phí phóng một tàu MEV để hỗ trợ một vệ tinh gặp sự cố chỉ bằng 1/2 hoặc thậm chí 1/4 so với việc chế tạo và phóng một vệ tinh hoàn toàn mới. Ngoài việc tiết kiệm chi phí, dịch vụ bảo trì trên quỹ đạo còn giúp giảm số lần phóng vệ tinh mới, qua đó hạn chế sự tích tụ của rác vũ trụ và giảm lượng khí thải nhà kính từ các vụ phóng tên lửa.

Loại bỏ rác vũ trụ khỏi quỹ đạo là một thách thức khác. Các loại rác khác nhau cần các phương pháp xử lý khác nhau, và nhiều ý tưởng được lấy cảm hứng từ ngành công nghiệp đánh bắt cá: một số chiến lược sử dụng lưới, một số dùng lao móc, và một số khác dùng móc câu. Tuy nhiên, mỗi công nghệ đều có những hạn chế và chỉ có thể áp dụng cho một số loại rác vũ trụ nhất định. Hơn nữa, chi phí thu hồi rác không gian rất cao, vì bất kỳ vật thể nào không còn được điều khiển trong không gian đều quay vòng vòng không kiểm soát. Điều đó có nghĩa là để thu gom một mảnh rác, chúng ta phải tìm cách ổn định nó hoặc khiến vệ tinh dọn dẹp rác quay theo cùng một nhịp với nó. Việc làm chậm tốc độ quay của các mảnh rác đòi hỏi một lượng năng lượng lớn, kéo theo chi phí nhiên liệu cao.

Động cơ ion (ion thruster)

Cuối cùng, công nghệ đẩy tiên tiến hơn đang giúp tàu vũ trụ sử dụng ít nhiên liệu hơn và kéo dài tuổi thọ hoạt động ngay từ lần phóng đầu tiên. Hệ thống đẩy điện, chẳng hạn như động cơ ion và động cơ Hall effect, là những công nghệ mới có hiệu suất cao hơn và tiết kiệm nhiên liệu hơn so với hệ thống đẩy hóa học truyền thống. Những hệ thống này sử dụng điện để ion hóa nhiên liệu đẩy và tạo ra lực đẩy, giúp tàu vũ trụ đạt vận tốc cao hơn và thực hiện các thao tác điều hướng chính xác trong thời gian dài. Hiện tại, công nghệ đẩy điện đã được áp dụng trên nhiều vệ tinh đang hoạt động và sẽ ngày càng trở nên phổ biến hơn.