Giới hạn thể xác con người khi bay lên vũ trụ

Theo BBC, kỷ lục phương tiện có tốc độ di chuyển lớn nhất của con người hiện được 3 phi hành gia của NASA nắm giữ. Năm 1969, tàu Apollo 10 trên đường trở về Trái Đất sau khi bay quanh Mặt Trăng đã đạt tốc độ 39.897 km/h so với Trái Đất. Tuy nhiên, theo các nhà khoa học, kỷ lục này sẽ sớm bị phá vỡ trong tương lai gần.

"Một trăm năm trước đây, không ai có thể tưởng tượng con người có thể di chuyển ở vận tốc gần 40.000 km/h," Jim Bray thuộc công ty hàng không vũ trụ Lockheed Martin cho biết. Bray hiện là giám đốc dự án Orion của NASA.

Thiết bị kiểm tra mức độ chịu đựng lực gia tốc của các phi công. Ảnh: Science Photo Library

Tàu vũ trụ Orion được thiết kế để bay quanh Trái Đất theo các quỹ đạo thấp, được kỳ vọng sẽ phá vỡ kỷ lục tốc độ đã tồn tại 46 năm của Apollp 10. Tốc độ cao đồng nghĩa với thời gian bay và làm nhiệm vụ sẽ được rút ngắn, giảm được nguy cơ ung thư do phơi nhiễm bức xạ vũ trụ với các phi hành gia.

Hệ thống phóng tàu vũ trụ sử dụng cho Orion dự kiến sẽ được vận hành thử nghiệm lần đầu vào năm 2021, nghiên cứu một tiểu hành tinh bị Mặt Trăng "bắt giữ" khi bay ngang qua, sau đó sẽ thực hiện nhiệm vụ đưa tàu vũ trụ tới sao Hỏa. Các nhà thiết kế dự tính tốc độ của Orion vào khoảng 32.000 km/h. Tuy nhiên, theo Bray, tốc độ của Orion trong tương lai khi đưa vào vận hành có thể phá được kỷ lục mà Apollo 10 đang nắm giữ.

"Orion được thiết kế cho rất nhiều điểm đến khác nhau trong vũ trụ, tốc độ của nó có thể cao hơn rất nhiều tốc độ dự tính hiện tại," Bray nói. Ông cũng cho rằng không có giới hạn nào mà con người không thể đạt tới, ngoại trừ vận tốc ánh sáng.

Tuy nhiên, vấn đề ở đây là liệu con người có thể ở bên trong các tàu vũ trụ di chuyển quá nhanh hay không. Quán tính là một thuộc tính của vũ trụ, theo đó mọi vật có khối lượng đều có xu hướng chống lại các sự thay đổi trạng thái chuyển động. Nếu bị tăng tốc hoặc giảm tốc quá nhanh, vượt qua giới hạn, cơ thể con người sẽ gặp phải những chấn thương nghiêm trọng. Nguyên nhân là do các phần tử cấu tạo lên cơ thể có quán tính khác nhau, trạng thái chuyển động của các phần tử sẽ thay đổi không đồng đều. Gia tốc quá lớn của tàu vũ trụ có thể làm cơ thể bị xé toạc ra.

Một vấn đề nữa mà Orion cần phải vượt qua, là lực gia tốc (Gs) tác dụng lên các phi hành gia, do quá trình tăng hoặc giảm tốc độ gây ra. Lực này có thể hướng từ đầu xuống chân hoặc ngược lại, theo phương thẳng đứng. Khi lực hướng từ chân lên đầu, phi hành gia sẽ có cảm giác căng tức như khi đang trồng cây chuối, mặt đỏ do máu dồn lên mí mắt dưới bị kéo lên che đồng tử. Ngược lại, khi lực này hướng từ đầu xuống dưới chân, mắt và não sẽ bị thiếu oxy do máu bị dồn xuống các chi dưới, sẽ làm các phi hành gia bị giảm thị lực rồi ngất. Đã có nhiều tai nạn hàng không do phi công bị ngất.

Giới hạn con người

Một người bình thường có thể chịu được tối đa một lực gia tốc 5Gs chiều từ đầu xuống chân trước khi rơi vào trạng thái vô thức. Các phi công đã qua rèn luyện và được trang bị các bộ trang phục đặc biệt có thể giữ được tỉnh táo để điều khiển máy bay khi phải chịu một lực gia tốc 9Gs.

“Trong một quãng thời gian ngắn, con người có thể chịu được một lực gia tốc lớn hơn 9Gs rất nhiều, nhưng duy trì ở tình trạng đó trong thời gian lâu hơn thì rất ít người làm đượ”", Jeff Sventek, Giám đốc điều hành của Hiệp hội Y học Không gian vũ trụ, có trụ sở tại Alexandria, Virginia nói. Các phi hành gia thường phải chịu một lực gia tốc trong khoảng 3-8Gs khi cất cánh và hạ cánh.

Tàu vũ trụ Orion cần có các tấm lá chắn dày để đối phó với các vi thiên thạch trôi dạt. Ảnh: NASA

Một vấn đề khác cần phải lưu tâm là các vi thiên thạch trôi dạt trong vũ trụ. Chúng có thể gây thiệt hại nặng, như chim đối với máy bay. Để bảo vệ tàu, Orion sẽ được trang bị một lớp bảo vệ có độ dày 18-30cm tùy theo vị trí và các lá chắn. Các bộ phận quan trọng của tàu cũng cần được sắp xếp hợp lý.

"Chúng tôi cần phải tính toán xem các vi thiên thạch có khả năng tới từ hướng nào," Bray cho biết. Ngoài ra, mặc dù mật độ các nguyên tố trong vũ trụ rất thấp, nhưng khi tàu di chuyển ở tốc độ vài trăm triệu km/h va chạm với các hạt nhân hydro trong không gian, chúng sẽ bị phá vỡ thành các hạt hạ nguyên tử (proton, notron), xuyên qua vỏ tàu và gây hại cho phi hành đoàn cùng các thiết bị. Nếu vận tốc bằng khoảng 95% vận tốc ánh sáng, phơi nhiễm trước các hạt hạ nguyên tử sẽ gần như gây chết người ngay lập tức. Để bảo đảm an toàn, các nhà khoa học khuyến cáo không nên tăng tốc lên quá một nửa vận tốc ánh sáng.

Về mặt nhiên liệu, nguồn năng lượng dồi dào nhất mà con người có thể khai thác được hiện là năng lượng nguyên tử phân hạch truyền thống. Công nghệ chưa cho phép khai thác năng lượng nguyên tử dạng nhiệt hạch, giống như phản ứng đang diễn ra trên Mặt Trời.

Với hai dạng năng lượng này, tàu vũ trụ có thể đạt tới 10% vận tốc ánh sáng, khoảng 100 triệu km/h. Trong tương lai, dạng nhiên liệu tối ưu cho các tàu vũ trụ tốc độ cao là phản vật chất. Khi vật chất và phản vật chất tiếp xúc nhau, chúng sẽ tự triệt tiêu nhau và giải phóng năng lượng. Hiện đã có công nghệ tạo ra và lưu trữ phản vật chất, dù chỉ ở quy mô rất nhỏ. Với động cơ chạy nhiên liệu phản vật chất, tàu vũ trụ sẽ phải mất vài tháng để đạt được tốc độ có thể so sánh với tốc độ ánh sáng, nhưng sẽ giữ được lực gia tốc ở mức độ vừa phải, trong mức chịu đựng được của các phi hành gia.