Nhóm phân tích chương trình khí cầu NASA gần đây đã trình bày một lộ trình cho NASA để hướng dẫn họ cách lập kế hoạch và tài trợ cho các chương trình thiên văn khí cầu trong tương lai.
Khinh khí cầu đã được sử dụng trong hơn một thế kỷ để tiến hành các thí nghiệm vật lý, quan sát thiên văn và công việc quan sát Trái đất, nhưng đối với công chúng, nó vẫn còn tương đối xa lạ. Thiên văn học khinh khí cầu chia sẻ nhiều ưu điểm với kính viễn vọng không gian, nhưng với một phần chi phí.
Thí nghiệm khoa học dựa trên khinh khí cầu hiện đại đầu tiên là vào năm 1912 khi nhà vật lý người Áo Victor Hess - nâng 3 máy quang điện lên độ cao hơn 5,2 km (mặc dù các nhà khí tượng học đã sử dụng khinh khí cầu để đo nhiệt độ không khí ở các độ cao khác nhau từ cuối thế kỷ 19).
Hess đã cố gắng chứng minh rằng bức xạ nền phát ra từ các khoáng chất phóng xạ trong lòng đất, nhưng thay vào đó, ông phát hiện ra rằng mức độ bức xạ ion hóa thực sự tăng lên ở độ cao lớn. Thí nghiệm này đã phát hiện ra các hạt tốc độ cao mà ngày nay chúng ta gọi là tia vũ trụ, và đã mang về cho Hess giải thưởng Nobel, đánh dấu sự khởi đầu của lĩnh vực vật lý thiên văn năng lượng cao.
Khinh khí cầu siêu áp suất của NASA được hiển thị ở đây có thể được sử dụng cho các chuyến bay dài của các thí nghiệm khoa học không người lái ở tầng trên của bầu khí quyển.
Các nhiệm vụ khinh khí cầu hiện đại phục vụ nhiều lĩnh vực khoa học. Các quan sát tia vũ trụ là nguồn dữ liệu quý giá cho các thí nghiệm vật lý hạt. Các hạt tia vũ trụ thường mang năng lượng lớn hơn nhiều so với năng lượng mà các nhà khoa học có thể đạt được trong các máy gia tốc hạt như Máy Va chạm Hadron Lớn, vì vậy các nhiệm vụ này có thể thu thập dữ liệu có giá trị bằng cách theo dõi sự va chạm giữa các tia vũ trụ và các phân tử không khí ở tầng trên của khí quyển.
Nhưng khinh khí cầu thường được dùng để thực hiện các quan sát thiên văn truyền thống hơn. Các kính viễn vọng nhỏ (khẩu độ nhỏ hơn 1 mét) thường được treo trên bầu khí quyển để nghiên cứu các ngoại hành tinh. Chúng có thể quan sát trực tiếp các vành đai bụi tiền hành tinh xung quanh các ngôi sao và phát hiện các ngoại hành tinh mới.
Độ cao lớn của các chuyến bay khinh khí cầu có nghĩa là kính viễn vọng hồng ngoại (IR) có thể được đặt phía trên hơi nước trong bầu khí quyển của chúng ta. Do hơi nước hấp thụ ánh sáng hồng ngoại rất hiệu quả nên những kính thiên văn này có thể thực hiện các quan sát độ phân giải cao đối với các ngôi sao rất mờ mà không thể thực hiện được từ mặt đất. Tương tự như vậy, các kính viễn vọng vô tuyến hoạt động trong dải terahertz (THz), cũng bị chặn bởi hơi nước trong khí quyển, có thể được nâng lên đủ cao để nghiên cứu môi trường giữa các vì sao.
Kính viễn vọng Không gian James Webb có giá gần 9 tỷ đô la và đắt hơn nhiều so với sứ mệnh khinh khí cầu, có thể phù hợp hơn cho các chương trình nghiên cứu nhỏ hơn.
Khí cầu có thể định vị các thiết bị khoa học và đài quan sát ở độ cao đủ để thu được nhiều lợi ích cho đài quan sát trong không gian, nhưng chúng vẫn có một số nhược điểm nhất định.
Ưu điểm rõ ràng nhất của bóng bay so với vệ tinh là chi phí thấp của chúng; Kính viễn vọng Không gian James Webb (JWST) có giá gần 9 tỷ đô la và ngay cả các nhà cung cấp dịch vụ phóng thương mại hiện đại, với các tên lửa có thể tái sử dụng của họ, vẫn có giá ngoài tầm với của các chương trình và viện nghiên cứu nhỏ hơn. Khinh khí cầu có thể nâng những vật có trọng tải cực lớn và cồng kềnh đến tận rìa không gian, và ở trên không trong thời gian dài, với chi phí chỉ bằng một phần rất nhỏ so với một vụ phóng tên lửa.
Bởi vì những nhiệm vụ này tiêu tốn ít chi phí, nên chúng có thể chịu được mức độ rủi ro cao hơn nhiều. Điều này không chỉ có nghĩa là các nhà nghiên cứu mới ra trường hoặc chưa tốt nghiệp có thể tham gia trực tiếp vào việc phát triển các công cụ nghiên cứu.
Nhiệm vụ khinh khí cầu cũng có tỷ lệ thu hồi rất cao. Các vệ tinh có xu hướng bị bỏ rơi trong không gian hoặc quay trở lại bầu khí quyển. Mặt khác, các nhiệm vụ khinh khí cầu thường được trang bị máy thu GPS và liên tục truyền phép đo từ xa, để chủ nhân của chúng biết chính xác nơi có thể tìm thấy chúng và quay trở lại Trái đất.
Nhiều thiết bị được gửi vào không gian, cả trong các đài quan sát trên quỹ đạo và trên các tàu thăm dò được gửi đến các hành tinh khác, đều dựa trên các thiết kế lần đầu tiên được thử nghiệm trên khinh khí cầu.
Ví dụ, kính soi chiếu bằng sợi quang nhấp nháy là dụng cụ phát hiện các tia vũ trụ và thường được sử dụng trong không gian. Một đã được sử dụng trong Máy quang phổ đồng vị tia vũ trụ (CRIS), đã hoạt động hoàn hảo trên tàu vũ trụ ACE trong 23 năm qua.
Một thiết bị khác là một phần của Kính viễn vọng điện tử CALorimetric (CALET), đã hoạt động trên Trạm vũ trụ quốc tế (ISS) từ năm 2015. Những thiết bị này lần đầu tiên được sử dụng với các thí nghiệm tia vũ trụ sinh ra từ khinh khí cầu và do đó đã được hưởng lợi từ nhiều năm phát triển và thử nghiệm trước khi được phóng vào vũ trụ.
Tương tự, Khám phá Vật chất Phản vật chất và Vật lý Thiên văn Hạt nhân Ánh sáng (PAMELA) và Máy quang phổ Từ tính Alpha thứ hai (AMS02) của ISS đều dựa vào thiết bị được thiết kế ban đầu cho độ cao gần không gian nơi khí cầu hoạt động.