Một phần không thể thiếu trong kế hoạch đưa các phi hành gia Mỹ trở lại Mặt trăng của NASA trong thập kỷ này là Cổng Mặt trăng - Lunar Gateway - một trạm vũ trụ nặng 40 tấn đóng vai
trò là tiền đồn lâu dài đầu tiên của nhân loại ở bên ngoài quỹ đạo Trái đất tầm thấp (LEO). [Trạm Vũ trụ Quốc tế (ISS) hiện đang bay ở vùng LEO mà chưa vượt ra ngoài LEO như Lunar Gateway sẽ làm].
Lunar Gateway (gọi ngắn gọn là Gateway) sẽ là một tiền đồn quay quanh Mặt trăng, hỗ trợ quan trọng cho việc con người quay trở lại bề mặt Mặt trăng trong thời gian dài, cũng như là một điểm tổ chức để khám phá không gian sâu (như sao Hoả). Nó là một thành phần quan trọng của Chương trình Artemis của NASA.
Cùng với siêu tên lửa Hệ thống Phóng Không gian (SLS), tàu vũ trụ Orion và hệ thống hạ cánh của con người đưa các phi hành gia lên Mặt trăng, thì Gateway là một trong 4 phần quan trọng trong kế hoạch khám phá không gian sâu của NASA.
Gateway là công trình hợp tác giữa NASA, Cơ quan Vũ trụ Canada (CSA), Cơ quan Vũ trụ Châu Âu (ESA) và Cơ quan Thám hiểm Hàng không Vũ trụ Nhật Bản (JAXA), nhằm hỗ trợ các hoạt động trên bề mặt Mặt trăng đồng thời đóng vai trò là điểm tổ chức cho thám hiểm sao Hỏa về sau.
Gateway sẽ nhỏ hơn đáng kể so với Trạm Vũ trụ Quốc tế (ISS), ban đầu chỉ bao gồm hai mô-đun với các mô-đun bổ sung sẽ được bổ sung theo thời gian. Các phần đầu tiên của trạm tiếp cận quỹ đạo Mặt trăng sẽ là Phần tử Sức mạnh và Lực đẩy (PPE) gắn với Tiền đồn Hậu cần và Môi trường (HALO), dự kiến phóng cùng nhau trên tên lửa Falcon Heavy của SpaceX vào tháng 11 năm 2024.
Hình ảnh mô phỏng PPE và HALO trên quỹ đạo Mặt trăng.
PPE là một phi thuyền đẩy điện năng lượng Mặt Trời công suất 60 kilowatt, dự kiến sẽ cung cấp năng lượng, liên lạc tốc độ cao, kiểm soát hướng và khả năng chuyển quỹ đạo cho Gateway. [Vào tháng 5 năm 2019, NASA đã chọn công ty công nghệ vũ trụ Maxar Technologies ở Westminster, bang Colorado (Mỹ) để phát triển, xây dựng PPE].
HALO là khoang phi hành đoàn đầu tiên dành cho các phi hành gia đến thăm Gateway. Mục đích chính của nó là cung cấp các nhu cầu hỗ trợ cuộc sống cơ bản cho các phi hành gia sau khi họ đến Orion và chuẩn bị cho chuyến đi lên bề mặt Mặt trăng. [HALO đang được phát triển bởi Công ty Northrop Grumman (Mỹ) và được quản lý tại Trung tâm Không gian Johnson của NASA ở bang Houston].
Vào tháng 2 năm 2021, NASA đã chọn SpaceX để cung cấp dịch vụ phóng cho PPE và HALO. Sau khi tích hợp trên Trái đất, PPE và HALO được nhắm mục tiêu để phóng cùng nhau không sớm hơn tháng 11 năm 2024 trên tên lửa Falcon Heavy từ Khu liên hợp phóng 39A tại Trạm vũ trụ Kennedy, bang Florida, Mỹ.
Lunar Gateway - Trạm Vũ trụ đầu tiên vượt ra ngoài Leo
Sở dĩ Gateway có kích thước tương đối nhỏ là vì phần lớn thời gian trong năm, trạm sẽ không có phi hành gia sinh sống và làm việc. Điều này đưa ra một số thách thức riêng cho Gateway. Trên ISS, các phi hành gia dành một lượng thời gian đáng kể để bảo trì trạm, nhưng Gateway sẽ phải tự duy trì hoạt động trong thời gian dài mà không có bất kỳ sự hỗ trợ trực tiếp nào của con người.
Julia Badger, Giám đốc hệ thống tự động Gateway tại Trung tâm Không gian Johnson của NASA, giải thích: "Những việc mà phi hành đoàn làm trên Trạm Vũ trụ Quốc tế (ISS) sẽ cần được Gateway tự xử lý. Cũng có một sự khác biệt lớn trong mô hình hoạt động. Hiện tại, ISS có quyền kiểm soát sứ mệnh toàn thời gian. Với Gateway, chúng tôi dự kiến trạm mặt đất ở Trái đất chỉ có 8 giờ hoạt động mỗi tuần. Hàng trăm lệnh mà ISS nhận được mỗi ngày (từ trạm mặt đất) để duy trì hoạt động sẽ vẫn cần thiết trên Gateway, nhưng điểm khác biệt là các lệnh đó đến từ chính Gateway, thay vì từ con người ở Trái đất".
Hình ảnh mô phỏng Trạm vũ trụ Gateway quay quanh Mặt trăng. (Nguồn: NASA).
Để biến điều này thành hiện thực, NASA đang phát triển một trình quản lý hệ thống phương tiện, hay còn gọi là VSM, sẽ hoạt động giống như một hệ thống máy tính có mặt khắp mọi nơi được tìm thấy trên hầu hết mọi phi thuyền khoa học viễn tưởng. VSM sẽ tự quản lý tất cả các chức năng của Gateway, xử lý bất kỳ vấn đề nào xảy ra, đến mức có thể quản lý chúng bằng phần mềm thông minh và đôi khi từ một người ở xa.
Julia Badger giải thích: "Đó là một cách suy nghĩ mới so với ISS. Nếu có vấn đề gì đó bị hỏng hóc trên Gateway, chúng ta có thể 'sống chung' với nó trong một khoảng thời gian nhất định, hoặc chúng ta phải có khả năng sửa chữa nó từ xa hoặc tự động".
Mặc dù bản thân Gateway có thể được coi như một loại robot, nhưng có một số lượng hạn chế có thể được thực hiện một cách hợp lý và hiệu quả thông qua các hệ thống tự động chuyên dụng, và NASA đã phải tìm ra giải pháp dung hòa giữa sự dư thừa và cả độ phức tạp và khối lượng. Ví dụ, đã có một số cuộc thảo luận về việc liệu các cửa sập của Gateway có nên tự đóng mở hay không, và NASA cuối cùng đã quyết định để các cửa sập vận hành thủ công. Nhưng điều đó không nhất thiết có nghĩa là Gateway sẽ không thể mở cửa sập nếu không có sự hỗ trợ của con người.
1. Công nghệ trên Gateway: Robot IVR
Julia Badger nói với chúng tôi: "Tôi hy vọng cuối cùng chúng ta sẽ có những con robot có thể mở cửa sập". Cô ấy giải thích rằng Gateway đang được thiết kế với các robot bên trong trạm (IVR) tiềm năng. "Điều chúng tôi đang cố gắng làm là đưa ra những lựa chọn thông minh về thiết kế của Gateway không tạo ra nhiều khối lượng, đồng thời giúp robot làm việc trong trạm dễ dàng hơn".
Phi hành gia robot tại trạm thử nghiệm của nó trước bảng tác vụ thao tác trên ISS. (Nguồn: JSC/NASA)
NASA đã có một lượng kinh nghiệm đáng kể với IVR. Robonaut 2 - một robot hình người với kích thước đầy đủ, đã dành vài năm trên Trạm Vũ trụ Quốc tế bắt đầu từ năm 2011, học cách thực hiện các nhiệm vụ mà nếu không, các phi hành gia con người phải thực hiện.
Gần đây hơn, một bộ ba robot bay tự do, có kích thước bằng máy nướng bánh mì, hình khối có tên là Astrobee đã cư trú trên ISS, nơi chúng đang thử nghiệm cảm biến và điều hướng tự động.
Một dự án của NASA có tên ISAAC (Hệ thống tích hợp để chăm sóc tự động và thích ứng) hiện đang khám phá cách các robot như Astrobee có thể được sử dụng cho nhiều nhiệm vụ khác nhau trên Gateway, từ theo dõi tình trạng trạm đến vận chuyển hàng hóa một cách tự động.
Phi hành gia ISS cầm trên tay một robot Astrobee (con này tên là Bumble) trên ISS. (Ảnh: JSC/NASA)
NASA đang tích cực làm việc với các đối tác để chuẩn bị cho ra đời các robot IVR trên Gateway. Tuy nhiên, việc chế tạo robot IVR không phải là quá trình một sớm một chiều.
Có khả năng ít nhất trong vài năm đầu, Gateway sẽ phải tự chăm sóc mà không có trợ lý robot bên trong. Tuy nhiên, một trong những mục tiêu của Gateway là hoạt động hoàn toàn tự chủ trong tối đa 3 tuần mà không có bất kỳ sự tiếp xúc nào với Trái đất - Giống hệt khoảng thời gian 3 tuần diễn ra quá trình Kết hợp Mặt trời (Solar Conjunction) - Đây là khoảng thời gian Trái đất và sao Hỏa, trong hành trình vĩnh cửu của chúng quanh Mặt Trời, bị che khuất khỏi nhau bởi quả cầu rực lửa của chính Mặt Trời. Đây là lúc Mặt Trời chặn mọi liên lạc giữa Trái đất và sao Hỏa (tất nhiên trong trường hợp 2 hành tinh kết nối với nhau).
2. Công nghệ trên Gateway: Cánh tay robot
Robot IVR chỉ là một nửa trong nhóm robot cần thiết để giữ cho Gateway hoạt động tự động trong thời gian dài ở vùng quỹ đạo Mặt trăng.
Các trạm vũ trụ dựa vào cơ sở hạ tầng phức tạp bên ngoài trạm để cung cấp năng lượng, động cơ đẩy, kiểm soát nhiệt và hơn thế nữa. Kể từ năm 2001, ISS là nơi đặt chân của Canadarm2 - một cánh tay robot dài 17,6 mét, có thể di chuyển xung quanh trạm để nắm và thao tác các vật thể dưới sự điều khiển của con người từ bên trong trạm hoặc từ mặt đất.
Cơ quan Vũ trụ Canada (CSA) hợp tác với công ty công nghệ vũ trụ MDA, đang phát triển một hệ thống cánh tay robot mới cho Gateway, được gọi là Canadarm3 - dự kiến ra mắt vào năm 2027.
Hình ảnh Canadarm3 bên ngoài trạm vũ trụ Gateway. (Nguồn: CSA)
Cận cảnh cánh tay robot Canadarm3. (Nguồn: CSA)
Canadarm3 sẽ bao gồm một cánh tay dài 8,5 mét để thực hiện các thao tác với tàu vũ trụ và di chuyển các vật thể lớn; và gồm một cánh tay robot nhỏ hơn, khéo léo hơn có thể được sử dụng cho các nhiệm vụ tinh vi. Cánh tay robot nhỏ hơn thậm chí có thể sửa chữa cánh tay lớn hơn nếu cần thiết. Nhưng điều thực sự làm cho Canadaarm3 khác biệt so với những người tiền nhiệm của nó là cách nó được kiểm soát, theo Daniel Rey - Kỹ sư trưởng Gateway và quản lý hệ thống tại CSA.
"Một trong những điều rất mới lạ về Canadarm3 là khả năng vận hành tự động mà không cần bất kỳ phi hành đoàn nào. Khả năng này dựa trên thế hệ phần mềm và phần cứng mới mang lại cảm giác chạm cho cánh tay cũng như khả năng phản ứng với môi trường của nó mà không cần sự giám sát trực tiếp của con người" - Daniel Rey cho biết.
Các nhiệm vụ tự quản của Canadarm3 trên Gateway sẽ bao gồm kiểm tra bên ngoài, dỡ các phương tiện hậu cần, triển khai phụ tải và sửa chữa Gateway bằng cách hoán đổi các thành phần bị hư hỏng với phụ tùng.
Mặc dù trạm Gateway sẽ cách xa Trái đất hàng nghìn lần so với trạm ISS, Daniel Rey giải thích rằng khoảng cách tăng thêm (khoảng 400.000 km) không phải là mấu chốt cho khả năng vận hành tự động bổ sung của Canadaarm3.
"Đáng ngạc nhiên là vị trí của trạm Gateway trên quỹ đạo của nó quanh Mặt trăng có thời gian trễ (mà tín hiệu truyền đi) đến Trái đất không khác gì so với thời gian trễ ở quỹ đạo thấp của Trái đất (LEO) với mặt đất. Với Canadarm3, chúng tôi nhận ra rằng nếu chúng tôi muốn chuẩn bị sẵn sàng cho sao Hỏa, thì chúng tôi cần xây dựng các cánh tay robot có thêm nhiều khả năng vận hành tự động hơn nữa".