Một ngân quỹ nhỏ bé và những ước mơ lớn không phải dễ dàng kết hợp được với nhau. Thế nhưng người tiên phong trong việc chế tạo thuyền buồm mặt trời (solar-sail) Lou Friedman đã sẵn sàng cho phi thuyền Cosmos 1 thám hiểm mặt trời và không gian.

Đây là một câu chuyện về lòng kiên trì, đó không chỉ là lòng kiên trì của một người, mặc dù Lou Friedman đã đợi một nửa cuộc đời để đưa chiếc buồm mặt trời vào không gian, mà cả các nhà vị lai nữa, những người đã mơ về kỹ thuật này một nửa thế kỷ mà vẫn chưa được nhìn thấy nó hoạt động. Nếu tất cả diễn ra theo kế hoạch thì vào tháng tư này chiếc buồm Mylar rộng 600 mét vuông được đặt tên là Cosmos1, có hình dáng giống cánh quạt chiếc cối xay gió hơn là một chiếc phi thuyền, sẽ cho thấy rằng một chiếc phi thuyền có thể di chuyển chỉ nhờ ánh sáng mặt trời.

Nhưng trước hết nó phải được phóng lên quỹ đạo bằng một tên lửa cải tiến từ một chiếc tàu ngầm nguyên tử của Nga từng hoạt động trên biển Barent. Cosmos 1 được tài trợ cá nhân bởi Hiệp hội hành tinh  (Planetary Society), đây là một nhóm ủng hộ chương trình không gian của Mỹ có trụ sở đặt tại Pasadena, tiểu bang California. Friedman là trưởng của nhóm này. Nhưng Cosmos 1 lại được một công ty không gian của Nga là NPO Lavochkin chế tạo.

Sau khi cánh buồm đạt đến quỹ đạo cách trái đất 800 km và mở những cánh quạt hình tam giác của nó thì bộ điều khiển ở trái đất sẽ cho những cánh quạt này nghiêng đi giống như cánh thuyền buồm đón gió. Việc quỹ đạo của chiếc phi thuyền bị đẩy đi một chút ít nhờ áp suất ánh sáng là tất cả những điều mà họ cần. Có thể mất vài ngày để làm điều đó nhưng đội Cosmos sẵn sàng chờ đợi.

Những cánh buồm mặt trời không phải dành cho những người nóng vội. Chúng được gia tốc ban đầu rất chậm, khó mà có thể nhận ra nhờ vào việc các quang tử ánh sáng đập vào bề mặt có khả năng phản xạ rất cao và truyền mô men động lượng cho nó. Không giống như các tên lửa, buồm mặt trời có thể được gia tốc liên tục, nó còn được gia tốc khi nào mà ánh sáng mặt trời còn chiếu vào mà không mất một giọt nhiên liệu nào.

Tốc độ ánh sáng

Sau một ngày, vận tốc gia tăng có một cánh buồm liên hành tinh là một con số khiêm tốn, khoảng 160 km/h, sau 100 ngày thì cánh buồm có thể chuyển động với vận tốc 16.000 km/h, sau ba năm thì vận tốc di chuyển đạt đến 160.000 km/h, nhanh gấp ba lần tốc độ của phi thuyền Voyager mà hiện nay đang thoát ra khỏi hệ mặt trời, và đủ nhanh để có thể đi đến sao Diêm vương trong vòng 5 năm – một nửa thời gian của du thuyền New Horizons của NASA cần để đến sao Diêm vương.

Đó là lý do tại sao các nhà văn viết chuyện khoa học viễn tưởng lại yêu thích buồm mặt trời giống như các kỹ sư không gian. Vào những năm 1970, Friedman là giám đốc dự án của phòng thí nghiệm Phản lực của NASA ở Pansadena, California, chính ở đây ông đưa ra một thiết kế ý tưởng cho tàu vũ trụ của Mỹ để đến sao chổi Halley sử dụng một cánh buồm khổng lồ có diện tích 640.000 mét vuông. Ý tưởng này bị NASA vứt vào sọt rác vì quá rủi ro. Bây giờ, khi hồi tưởng lại, Friedman thừa nhận là “điều đó quá táo bạo” và “chương trình không mang tính thực tiễn”.

Sau khi thôi không làm việc ở phòng thí nghiệm Phản lực, Friedman cùng các nhà khoa học Carl Sagan và Bruce Murray đồng sáng lập ra Hiệp hội hành tinh vào năm 1980. Trong khi thúc đẩy chương trình hợp tác về không gian quốc tế của hiệp hội, ông đã thiết lập những mối quan hệ về công việc và tình bạn thân thiết với các nhà khoa học và kĩ sư không gian của Nga tại một thời điểm mà các mối quan hệ như vậy có vẻ rất đáng ngờ. Sau đó thì việc Hiệp hội hành tinh nhờ sự giúp đỡ của Nga trong dự án buồm mặt trời là một hành động hợp lí. Phóng tên lửa không mất nhiều tiền vì NPO Lavochkin đã từng làm việc với các phi thuyền có khả năng được thổi phồng lên (cột buồm giữ cánh buồm Cosmos 1 cần phải phồng lên trong không gian), và mối quan tâm của người Nga về các thuyền buồm mặt trời có từ rất sớm, năm 1921, từ ý tưởng vượt trước thời đại của Konstantin Tsiolkovsky.

Bấy giờ thì Friedman cần phải cân bằng giữa sự hưng phấn vì đã đi được một quãng đường dài và những trông đợi có tính thực tế. Một ngân sách rất nhỏ khoảng 4 triệu đô la dành cho dự án (ông nói “NASA cũng tiêu ngần ấy tiền vào những nghiên cứu giấy tờ”), điều đó cũng có nghĩa là không thể mua được một số vật liệu và loại bỏ rất nhiều nghiên cứu thiết kế. Nhưng đội ngũ làm việc gồm những người có năng lực và đầy kinh nghiệm, những người đã cố gắng thấy trước những sai sót có thể xảy ra. Friedman kể lại, sau khi kiểm tra kĩ thuật ở Moscow, một chuyên gia tư vấn người Nga đã cho Cosmos 1 xác suất 70% thành công, “tôi nói: này ông bạn, ông nói là 70 ư? Tôi sẽ lấy nó”.

Thật không may, nhóm làm việc đã nhỡ một cơ hội để kiểm tra sự hoạt động của buồm vào lần phóng dưới quỹ đạo (suborbital: vật mà tên lửa mang không thể lên đến quỹ đạo ổn định mà chỉ thoát khỏi tầng khí quyển của trái đất – ND) vào năm 2001, khi đó chiếc phi thuyền đã không thể tách rời khỏi tên lửa và cả hai biến mất trên biển. Thay vì lặp lại chuyến bay ngắn như thế, Friedman và đồng nghiệp đã quyết định lần sau sẽ phóng thẳng buồm mặt trời lên một quỹ đạo quanh trái đất. Tim Van Sant ở Trung tâm chuyến bay không gian Goddard nói rằng mặc dù NASA không thích những dự án có độ rủi ro cao kiểu này, nhưng bên ngoài thì họ vẫn hoan nghênh Cosmos. Van Sant quản lý sự phát triển về công nghệ cho chương trình kết nối Mặt trời – Trái đất của NASA. Văn phòng của Van Sant đã có những dự tính về buồm mặt trời từ rất lâu cho các phi thuyền mà không thể dùng lực đẩy quy ước. Ví dụ, đặt một phi thuyền trên một quỹ đạo rất gần và ở phía cực của mặt trời thì phải cần rất nhiều nhiên liệu cho tên lửa để chống lại lực kéo xuống do hấp dẫn của mặt trời. Các cánh buồm mặt trời có tác dụng như một cái phanh tự nhiên mà không bao giờ bị cạn kiệt nhiên liệu.

Đón gió

Nhưng có một khoảng cách lớn giữa giấc mơ và thực hiện giấc mơ. Phần lớn các kế hoạch về buồm mặt trời chưa bao giờ đến gần mặt trời. Có một bài nói về cuộc đua về buồm mặt trời quốc tế để kỉ niệm năm trăm năm chuyến vượt biển của Colombus đến châu Mỹ. Các nhóm trong đó có Quỹ không gian thế giới có trụ sở đặt tại Pasadena đã đi xa đến mức đã xây dựng và thử nghiệm những cánh buồm trên trái đất bằng việc kết hợp công sức của những chuyên gia và nghiệp dư, nhưng tài chính của họ đã hết. Gần đây có một nhóm ở Texas gọi là Team Encounter đã công bố kế hoạch gửi những lời nhắn, bức họa, ảnh và mẫu ADN của các khách hàng đã trả tiền và gửi chúng đi cùng những cánh buồm mặt trời vào khoảng không giữa các hành tinh. Không một kế hoạch nào trong đó đi đến việc phóng tên lửa cả.

Về kinh nghiệm bay với buồm mặt trời, thì Nhật bản là nước tiên phong cho đến khi Cosmos 1 cất cánh. Tháng tám năm ngoái, Cơ quan thám hiểm không gian Nhật bản (JAXA) đã thực hiện một lần phóng thử dưới quỹ đạo bằng một tên lửa nhỏ (souding rocket) và một cánh buồm dài 10 mét đã có thể giương lên từ cột buồm. Tháng năm tới thì cơ quan đó sẽ thử một chiếc buồm dài 20 mét trên một quả kinh khí cầu khoa học ở độ cao 35 km.

Mục tiêu cuối cùng của JAXA là hệ thống đẩy kết hợp giữa buồm mặt trời và động cơ điều khiển ion. Một trong những chương trình được JAXA đưa ra là kết hợp buồm mặt trời với động cơ điều khiển ion để thay thế một đầu dò trên một quỹ đạo xung quanh cực của sao Mộc và bay qua một vài tiểu hành tinh.

Mặc dù vậy, chưa có ai đi được nhiều như Friedman để đưa buồm mặt trời lên quỹ đạo. Thậm chí khi cánh buồm ở trên quỹ đạo thì ông vẫn chưa chắc chắn khi nào có thể ăn mừng thắng lợi, “đó có thể là một thắng lợi rất nhỏ bé”, ông nói, vì nhóm làm việc cố gắng điều khiển chiếc buồm của họ và đấy nó lên quỹ đạo cao hơn. Vì có rất nhiều thử thách kỹ thuật mà buồm mặt trời phải đối mặt. Friedman lo lắng nhất về động học của chiếc buồm. Không ai biết chính xác nó sẽ ổn định ở mức nào, nó có bị xoay và uốn cong giống như một chiếc diều gặp gió mạnh hay không.

Nếu Cosmos 1 có thể đạt đến các quỹ đạo cao hơn thì nó còn có một nhiệm vụ cuối cùng mang tính vị nhân. Một nhà vật lý ở Đại học California đồng thời là nhà văn viết truyện khoa học viễn tưởng Gregory Benford cùng với người anh trai của ông là James Benford – chủ tịch Cơ quan Khoa học vi sóng ở Lafayette, California sẽ hướng chùm vi sóng có công suất 450 kilowatt từ một ăng ten ở sa mạc Mojave vào chiếc buồm mặt trời. Họ hi vọng chùm vi sóng này sẽ cung cấp thêm lực đẩy cho chiếc thuyền. Một ngày nào đó, phương pháp này sẽ được sử dụng để đẩy các phi thuyền tới các hành tinh khác, thậm chí tới các ngôi sao khác.

Chạy đúng hướng gió

Một thành công của Cosmos 1 sẽ thúc đẩy sẽ thúc đẩy các dự án về thuyền buồm mặt trời trong các nhóm nghiên cứu không gian. Khoảng thời gian sớm nhất mà NASA có thể gửi thuyền buồm mặt trời vào không gian là năm 2009 trong chương trình Công nghệ không gian 9, mặc dù có các công nghệ khác cạnh tranh cho chuyến bay đó.

Trong số các đề xuất buồm mặt trời của NASA là vệ tinh quỹ đạo mặt trời gia tốc hạt (Particle Acceleration Solar Orbiter), nó có thể bay xung quanh mặt trời rất gần để quan sát những vùng hoạt động của mặt trời và một Vệ tinh chụp ảnh cực mặt trời để nghiên cứu vùng mặt trời ở vĩ độ cao. NASA và cơ quan hải dương học và khí quyển học quốc gia muốn đặt một vệ tinh thời tiết trên một quỹ đạo ổn định để cảnh báo về bão mặt trời (sunstorm). Những chương trình này cần những thuyền buồm mặt trời lớn hơn Cosmos 1 từ ba đến năm lần.

Cơ quan không gian châu Âu cũng quan tâm đến thuyền buồm mặt trời vì những lý do tương tự như NASA là đặt một vệ tinh lên cực của mặt trời. Cơ quan này còn nghiên cứu một nhiệm vụ khác gọi là người bảo vệ trái đất để thăm dò những tiểu hành tinh gần trái đất.

Mặt dù chưa một thử nghiệm về thuyền buồm mặt trời nào thành công nhưng Van Sant vẫn chi 10 triệu đô la hàng năm cho các nghiên cứu cơ bản về kỹ thuật. Năm nay, hai cơ quan tiên phong trong việc phát triển buồm mặt trời là L’Garde ở Tustin, California, và ABLE Engineering ở Goleta, California sẽ thử nghiệm các thiết kế khác nhau của thuyền buồm 20 mét trong một buồng chân không khổng lồ của NASA ở Ohio.

Cánh buồm của nhóm ABLE được tạo thành từ vật liệu polymer mới và mỏng được gọi là CP-1, chỉ dày có 2,5 micromet – độ dày này chỉ bằng một nửa độ dày của cánh buồm bằng hợp kim nhôm Mylar của Cosmos 1, Van Sant nói “nếu bạn hắt hơi một cái cũng đủ để thổi bay cánh buồm bay qua mặt bàn”. Đối với buồm mặt trời thì càng mỏng càng tốt, nhưng mỏng thì lại dễ rách. Ngay cả những cánh buồm được gia cố lực của Cosmos 1 cũng không thể tồn tại mãi mãi: trong vòng một tháng sau khi phóng, chúng sẽ bị suy thoái dưới ánh sáng gay gắt của mặt trời. Nhưng chuyến bay ngắn ngủi đó cũng đủ để minh chứng nguyên lý buồm mặt trời và nếu thành công sẽ mở ra một thiên đường cho các phi thuyền khác chạy bằng năng lượng mặt trời.