Slingatron - giải pháp "ném" hàng hóa lên quỹ đạo với chi phí thấp

Kể từ thập niên 40 đến nay, con người đã không ngừng phóng vệ tinh ra ngoài không gian nhưng tất cả đều phụ thuộc vào tên lửa đẩy . Chi phí của loại hình vận tải này không hề rẻ, cụ thể là giá để đưa mỗi pound hàng lên quỹ đạo thường trên dưới 2000 USD/lb. Lý do lớn nhất ảnh hưởng đến giá thành là hầu hết tên lửa đẩy sau khi hoàn thành nhiệm vụ hoặc bị phá hủy hoặc không thể tái sử dụng. Loại phương tiện tái sử dụng như SpaceX Grasshopper sẽ là một giải pháp nhằm làm giảm chi phí nhưng chưa phải là duy nhất. Mới đây, công ty HyperV Technologies Corp có trụ sở tại Chantilly, Virginia đang nuôi hy vọng có thể "ném" hàng hóa vào không gian mà không cần rocket bằng việc sử dụng một "máy gia tốc khối lượng siêu tốc vận hành cơ học" có tên gọi slingatron .

Được phát minh bởi Derek Tidman vào những năm 1990, slingatron sử dụng cùng một cơ chế như chiếc ná quăng đá được người xưa dùng làm công cụ săn bắn và chiến đấu. Ná quăng đá không giống như loại ná chữ Y mà chúng ta vẫn thường chơi khi còn bé. Nó chỉ đơn giản là một sợi dây da có phần giữa hơi rộng để nẹp viên đá. Khi quăng, người ta nắm 2 đầu sợi dây da chụm vào nhau và quay thật nhanh trên đầu trước khi thả ra. Các yếu tố ảnh hưởng đến tốc độ bay của viên đá là cánh tay người quăng ná và độ chắc của sợi dây da.

Trở lại với slingatron, nếu cả cỗ máy quay đủ nhanh để phóng một vật thể vào không gian, lực tạo ra có thể xé slingatron thành từng mảnh. Vì vậy, như tên gọi "máy gia tốc khối lượng siêu tốc cơ học", slingatron sử dụng kết hợp giữa nguyên lý cơ học của ná quăng đá và máy gia tốc hạt cyclotron .

Cyclotron là một trong những loại máy gia tốc hạt cơ bản nhất. Hệ thống gồm một xylanh kim loại dạng dẹp, bên trong là môi trường chân không và các cặp đĩa từ tính hay đĩa tĩnh điện mang điện tích trái dấu. Một hạt nguyên tử chẳng hạn như proton sẽ được đưa vào tâm của cyclotron và được đính lên đĩa điện tích âm. Sự phân cực của các đĩa từ tính sẽ đẩy proton đi từ đĩa này sang đĩa khác. Khi tần số đẩy gia tăng, proton bắt đầu di chuyển nhanh hơn trong một loạt đường ống trôn ốc nối tiếp nhau cho đến khi đến vòng ngoài cùng của trôn ốc và được bắn ra với vận tốc cực cao mặc dù cả hệ thống vẫn đứng yên.

Slingatron đạt được kết quả tương tự một cách cơ học. Tức là thay vì sử dụng các đĩa mang điện tích như cyclotron, nó sử dụng một đường ống hình trôn ốc và cả hệ thống này xoay tròn trên một trục. Tương tự như khi chúng ta lắc đảo rượu trong một chiếc ly, rượu xoay xung quanh ly mặc dù chiếc ly không hề xoay. Nếu chiếc ly được lắc ở tần số thấp, rượu sẽ xoay chậm chậm nhưng nếu tăng tần số, rượu sẽ nhanh chóng xoay lên thành ly và nếu lắc mạnh hơn, rượu sẽ tràn ra ngoài miệng ly.

Bên trong slingatron là một đường ống trôn ốc hay một loạt các ống hình trôn ốc nối với nhau tùy thuộc vào thiết kế. Hệ thống hồi chuyển trên các bánh đà được đặt dọc theo chiều dài ống. Khi slingatron hồi chuyển, một vật thể được đặt vào ống và lực hướng tâm sẽ kéo vật thể xuống. Khi vật thể trượt đến các vòng lớn hơn của trôn ốc, lực hướng tâm gia tăng khi tần số hồi chuyển tăng đến 60 vòng/giây. Khi vật thể được phóng ra tại vòng ngoài cùng của đường ống trôn ốc, vận tốc của nó đã đạt vài km/s.

Ma sát hiển nhiên là một vấn đề đối với slingatron nhưng nó đã được giảm thiểu ngay từ đầu nhờ lớp phủ Teflon bên trong đường ống và riêng vật thể được bao bọc bởi một lớp vỏ có nhiệt độ sôi thấp như polycarbonate. Khi vật thể xoay bên trong đường ống, vật liệu bọc ngoài sẽ bốc hơi và hình thành một lớp khí không ma sát. Thêm vào đó, không giống như các kiện hàng bình thường được đưa lên không gian bằng tên lửa đẩy, kiện hàng gởi đi từ slingatron cần phải có một lớp chống nhiệt khi xâm nhập bầu khí quyển.

Hình ảnh mô phỏng một hệ thống slingatron hoàn chỉnh với đường kính 200 - 300 m.

Mục tiêu của HyperV Tech là chế tạo một cỗ máy slingatron đủ lớn để bắn kiện hàng đi ở tốc độ 7 km/s (25.000 km/h). Trên thực tế, kiện hàng cần phải bay nhanh hơn nữa khi thoát khỏi miệng đường ống bởi lẽ vận tốc của kiện hàng sẽ giảm đi đôi chút do ma sát khí quyển. Đồng thời, kiện hàng sẽ cần đến một tên lửa đẩy cỡ nhỏ tích hợp để xâm nhập quỹ đạo trong giai đoạn cuối và điều chỉnh hướng bay. Qua đây, điểm mạnh và điểm yếu của ý tưởng slingatron đã được xác định.

Với ưu điểm như thời gian giữa các lần phóng được rút ngắn và có thể thực hiện hàng ngàn lần phóng mỗi năm trong khi tất cả hệ thống phóng đều nằm lại trên Trái Đất, các nhà phát triển cho biết slingatron hứa hẹn sẽ giảm thiểu rất nhiều chi phí tải hàng lên quỹ đạo. Tuy nhiên, gia tốc trọng trường mà vật thể phải đối mặt có thể gấp 60.000 lần lực hấp dẫn.

Vì vậy, liệu có hệ thống rocket nào có thể sống sót dưới áp lực trên và slingatron chắc chắn không thể được sử dụng với các sứ mạng có con người bởi nó sẽ nhồi nát phi hành gia. Chỉ có những vệ tinh rắn nhất và bền nhất được bảo vệ bên trong một lớp vỏ hình đầu đạn mới có khả năng sống sót. Các nhà nghiên cứu cho biết hệ thống slingatron quy mô lớn sẽ giảm lực nhưng cho dù có giảm đến một phần 10.000 lực nén thì nó vẫn là một thử thách đối với những kiện hàng cứng nhất. Vì vậy, hệ thống slingatron chỉ thực sự hấp dẫn đối với những vật liệu thô, chẳng hạn như nhiên liệu, nước, vật liệu chắn bức xạ v.v…

Hình ảnh mô phỏng Slingatron 5 đường kính 5 m.

Hiện tại, có 3 nguyên mẫu slingatron đã được chế tạo với kích thước từ một hệ thống trình diễn để trên bàn cho đến một thiết kế bán mô-đun với khả năng bắn một vật thể nặng 226 g ở tốc độ 100 m/s. HyperV Technologies Corp. đã vừa phát hành một chiến dịch gây quỹ trên trang Kickstarter nhằm thu được 250.000 USD để chế tạo mô-đun Slingatron 5, đường kính 5 m. Nó được thiết kế để có thể phóng vật thể nặng 113 g ở tốc độ 1 km/s và sau đó được nâng cấp để phóng vật thể nặng 453 g ở tốc độ 2 km/s. Sau cùng, nhóm phát triển hy vọng rằng họ sẽ hoàn tất phiên bản hoàn chỉnh của hệ thống slingatron với khả năng phóng một kiện hàng vào quỹ đạo.

Bên cạnh Slingatron 5, các nhà phát triển dự kiến sẽ tổ chức hội nghị Slingatron Applications Workshop để thảo luận về các ứng dụng tiếp theo của công nghệ và các chủ đề liên quan. Dưới đây là video mô tả hoạt động của slingatron.

Theo: Gizmag ; Kickstarter