Những quả bóng kim loại lớn của NASA: Dự án Echo

Đây là Echo, một quả bóng bay kim loại khổng lồ được NASA phóng lên vũ trụ vào những năm 1960. Được biết đến như là vệ tinh nhân tạo đẹp đẽ nhất từng được phóng lên, nó không có thiết bị điện tử nào ở bên trong và chỉ đơn giản làm "nảy" các tín hiệu vô tuyến vòng quanh thế giới (liên lạc thụ động). Cụ thể thì đây là một vệ tinh liên lạc, và thông tin cần gửi sẽ được truyền từ một nơi trên Trái Đất đến vệ tinh này, rồi nảy khỏi bề mặt nhẵn thín của vệ tinh này và đến nơi cần đến.

Mặc dù nó rất đơn giản, nhưng nó lại hoạt động cực kì hiệu quả. Ngay sau khi nó được phóng lên, Tổng thống Eisenhower đã gửi một tin nhắn thoại từ California đến New Jersey qua vệ tinh này. Tin nhắn đấy là như này:

Nguyên văn:

Cho đến thời điểm này, mọi liên lạc vòng quanh thế giới đều phải sử dụng một mê cung điên rồ các dây cáp ngầm dưới biển. Vậy nên ý tưởng dùng vệ tinh để liên lạc rất đáng kinh ngạc.

Nhưng không phải ai cũng nghĩ nó sẽ hoạt động. Một số kỹ sư nghĩ rằng tầng điện ly (ionosphere) của Trái Đất sẽ chặn lại bất cứ sóng vô tuyến nào cố gắng đi qua. Vậy nên trước khi Echo được phóng lên, NASA sẽ phải chứng minh rằng liên lạc vệ tinh là khả thi.

Đó là lúc họ nhân ra họ ĐÃ có sẵn một vệ tinh có khả năng phản xạ tín hiệu, Mặt Trăng.

Vậy là, trong một loạt các thí nghiệm, họ đã thành công trong việc sử dụng bề mặt Mặt Trăng như một "tấm gương" để gửi các tín hiệu giọng nói từ New Jersey đến California. Nhưng điều này thực sự hoạt động như thế nào?

Giống với cách mà ánh sáng bị nảy khỏi một tấm gương, các sóng vô tuyến cũng có thể bị phản xạ. Khi sóng bị phản xạ lại khỏi bề mặt, nó tỏa ra mọi hướng. Một phần nhỏ trong tín hiệu ban đầu sẽ quay trở lại Trái Đất, nơi một người nhận có thể nhận nó ở một vị trí khác. Một bề mặt phản xạ lớn hơn sẽ phản xạ lại một tín hiệu mạnh và tập trung hơn. Vì vậy, để những "quả bóng bay" này hoạt động, chúng phải thật to lớn.

Echo 1 được làm từ một tấm nhựa Mylar khổng lồ, với độ dày băng 1/10 sợi tóc người (Mylar là một màng polyester được làm từ polyetylen terephthalate (PET). Vật liệu này còn được biết đến với tên khoa học là BoPET (polyethylen terephthalate định hướng hai chiều)). Tấm Mylar sau đó được cắt thành hơn 100 sợi, mỗi sợi được phủ một lớp mỏng aluminium để tạo cho "quả bóng bay" bề mặt sáng bóng của nó. Những sợi này sau đó được dán lại với nhau để tạo hình dạng cầu cho vệ tinh. Ở trên Trái Đất, cần đến 18 tấn không khí để làm cho nó căng phồng. Ở trong vũ trụ, chỉ cần một vài ki-lô-gam không khí là đủ. Điều này xảy ra là vì trên Trái Đất, áp suất khí quyển luôn cố gắng ép "quả bóng" vào - vậy nên, cần nhiều không khí hơn để chống lại lực ép đó. Còn ở trên vũ trũ thì làm gì có không khí => không có áp suất khí quyển => chỉ cần một ít không khí để làm đầy quả bóng là được.

Một khi nó đã được hoàn thành, NASA bơm căng Echo lần đầu tiên. Và vào năm 1958, "quả bóng bay" khổng lồ này xuất hiện. Đây sẽ là, cho đến nay, thứ có kích thước lớn nhất từng được phóng lên vũ trụ. Đương nhiên là sẽ phải làm xì hơi quả bóng đi và bơm căng nó lên khi nó ở trong quỹ đạo. Nhưng có một vấn đề: Echo làm sao mà tự bơm căng nó được khi không có nguồn cấp không khí của riêng nó?

Để tự bơm căng chính mình, Echo 1 có những hộp nhỏ đựng benzoic acid, một loại bột đặc biệt tự biến ngay lập tức từ chất rắn thành chất khí khi tiếp xúc với nhiệt. Điều này xảy ra vì acid benzoic, giống như nhiều hợp chất hữu cơ khác, thăng hoa khi tiếp xúc với nhiệt. Thăng hoa là quá trình một chất chuyển trực tiếp từ pha rắn sang pha khí mà không qua pha lỏng trung gian. Điều này xảy ra do áp suất hơi của chất rắn vượt quá áp suất khí quyển ở một nhiệt độ nhất định. Trong trường hợp axit benzoic, khi đun nóng, các phân tử thu đủ năng lượng để thoát ra khỏi mạng rắn và đi trực tiếp vào pha khí, bỏ qua pha lỏng. Hiện tượng này phổ biến đối với các hợp chất có điểm nóng chảy và áp suất hơi tương đối thấp, chẳng hạn như axit benzoic.

Vì vậy, khi đi vào không gian, nhiệt lượng từ Mặt Trời sẽ nhanh chóng biến bột benzoic acid thành không khí. Chỉ trong một vài giây, Echo 1 sẽ được bơm căng hoàn toàn. Nhưng có một vật thể lớn đến vậy trong không gian sẽ biến nó thành một miếng mồi ngon cho các vi thiên thạch (micrometeorites).

Để chống lại bất kỳ vết thủng nhỏ nào trên lớp vỏ của nó, Echo 1 mang thêm benzoic acid dự trữ có thể được giải phóng để duy trì áp suất của Echo 1.

Mặt khác, Echo 2 có một giải pháp tốt hơn. Vỏ của nó cũng được làm từ nhựa Mylar, nhưng nó được kẹp giữa hai lớp màng aluminium. Khi Echo 2 được điều áp, lớp màng aluminium sẽ bị kéo căng, khiến nó cứng lại và cứng lại tại chỗ, làm cho Echo 2 trở nên cứng cáp. Kể cả khi bị các vi thiên thạch đâm trúng, nó vẫn sẽ giũ nguyên hình dạng.

Đương nhiên, những quả bóng nhẵn thín khổng lồ này cực kỳ dễ thấy. Trong hơn một thập kỷ, chúng là một trong những vật thể sáng nhất bầu trời đêm, sáng hơn cả sao Bắc Đẩu. Nhưng rõ ràng là việc nó cực kỳ dễ nhìn thấy là một tính năng cần thiết. Để gửi và nhận tín hiệu, các trạm mặt đất phải có khả năng theo dõi và khóa khinh khí cầu khi nó di chuyển trên bầu trời. Và vì vậy, cách dễ nhất là hướng thẳng đĩa ăng-ten vào quả bóng khi nó nhìn thấy được. Tất nhiên, điều này chỉ có thể xảy ra khi quả bóng bay qua phần đó của Trái đất và chỉ trong những giờ chạng vạng khi Mặt Trời đang chiếu sáng quả bóng.

Nếu không thể nhìn thấy quả bóng bằng mắt thường thì họ có thể dựa vào mạng theo dõi của NASA, luôn cố gắng hết sức để theo dõi và dự đoán quỹ đạo của các vệ tinh. Ở trên Echo 2, họ đã thêm vào một hệ thống định vị gửi các xung, làm cho nó dễ theo dõi vào ban ngày hơn.

Phần lớn liên lạc của Echo được thực hiện giữa các trạmmặt đất được xây dựng có mục đích ở California và New Jersey.

Nhưng Dự án Echo được thiết kế như một thí nghiệm toàn cầu. Nhờ quỹ đạo cực của nó, các khinh khí cầu đã đi qua mọi nơi trên thế giới, cho phép bất kỳ ai có thiết bị đều có thể thực hiện việc truyền tín hiệu. Việc truyền tải thậm chí còn được thực hiện giữa Mỹ và Liên Xô, người đã đặt biệt danh cho quả bóng là Sputnik thân thiện. Nhưng những quả bóng không chỉ hữu ích trong việc gửi tín hiệu trên khắp thế giới - chúng cũng được sử dụng để đo chính xác kích thước và hình dạng của Trái đất.

Vào thời điểm đó, các phép đo chính xác nhất của chúng ta dựa vào phép đo tam giác sao, điều đó có nghĩa là khoảng cách thực tế giữa các lục địa và thành phố có thể chênh lệch hơn 100 km. Vì vậy, các nhà khoa học đã sử dụng Echo để lập bản đồ vị trí chính xác của nhiều điểm khác nhau trên khắp Trái đất. Đầu tiên, họ đo thời gian truyền tín hiệu từ hai địa điểm khác nhau, điều này sẽ cho họ khoảng cách đến Echo. Sau đó, bằng cách đo góc mà Echo xuất hiện trên bầu trời, các nhà khoa học có thể tạo thành một hình tam giác. Với điều này, khoảng cách giữa cả hai điểm có thể được tính toán trong phạm vi vài mét. Điều này làm cho các phép đo của chúng ta về Trái đất chính xác hơn khoảng 10 lần.

Nhưng khoa học không dừng lại ở đó với Echo. Rốt cuộc, NASA khi đó chỉ mới thành lập được vài năm - và họ biết rất ít về những tác động lâu dài mà các vệ tinh sẽ gặp phải trong không gian. Một trong những ẩn số lớn nhất là lực cản của khí quyển. Ngay cả ở độ cao 1.500 km, vẫn có những dấu vết nhỏ của khí quyển có thể làm các vật thể trên quỹ đạo di chuyển chậm lại. Và với diện tích bề mặt lớn như vậy, những quả bóng bay này cảm nhận được hiệu ứng rõ ràng hơn bất kỳ vệ tinh nào khác. Nhờ Echo 1, NASA đã có thể theo dõi quỹ đạo của nó thay đổi như thế nào trong vài năm. Hóa ra, nó đã thay đổi rất nhiều. Đáng ngạc nhiên là lực cản của khí quyển không liên quan gì đến điều này. Thay vào đó, gió mặt trời tỏa ra từ Mặt trời đã đẩy Echo 1 về phía Trái Đất (hiệu ứng kiểu cánh buồm Mặt Trời).

Hai quả bóng này tiếp tục hoạt động hoàn hảo trong suốt những năm 60 và chúng đã chứng minh rằng hệ thống liên lạc toàn cầu trong không gian là một ý tưởng hay. Trong thời gian ở ngoài không gian, những quả bóng bay mang tính biểu tượng này đã dạy cho NASA nhiều điều hơn họ có thể tưởng tượng. Máy thu được sử dụng để phát hiện tín hiệu của Echo đã tiếp tục khám phá ra bức xạ nền vi sóng vũ trụ. Các vật liệu được phát triển cho Echo vẫn được sử dụng trong tàu vũ trụ cho đến ngày nay. Mặc dù những loại vệ tinh này chưa bao giờ được chú ý nhưng di sản của chúng với tư cách là bước nhảy vọt đầu tiên vào lĩnh vực liên lạc không gian sẽ tồn tại mãi mãi. Và Echo 1 và 2 sẽ trở thành những vệ tinh đẹp nhất từng được tạo ra.