Các kỹ sư đang phát triển những phần cứng quan trọng phục vụ nhiệm vụ thu thập và mang mẫu vật sao Hỏa trở về Trái đất trong thập kỷ tới.
Đội kỹ sư của NASA và ESA bắt đầu thử nghiệm các hệ thống dùng cho nhiệm vụ phức tạp nhất trên hành tinh đỏ: đưa mẫu vật đá và trầm tích từ sao Hỏa về Trái đất để nghiên cứu kỹ hơn. Chiếc dịch Mars Sample Return bao gồm nhiều nhiệm vụ bắt đầu khi robot tự hành Perseverance của NASA hạ cánh trên sao Hỏa vào tháng 2 năm ngoái để thu thập mẫu vật đất đá nhằm tìm kiếm sự sống vi sinh vật cổ đại. Trong số 43 ống mẫu vật của Perseverance, 4 ống đã chứa đầy lõi đá và một ống chứa không khí sao Hỏa. Chiến dịch Mars Sample Return tìm cách đưa một số ống về Trái đất. Sau đó, các nhà khoa học có thể nghiên cứu mẫu vật bằng những thiết bị mạnh trong phòng thí nghiệm vốn quá cồng kềnh để đưa tới sao Hỏa.
Mô phỏng robot thu hồi mẫu vật và tên lửa vận chuyển hạ cánh xuống sao Hỏa. (Ảnh: NASA).
Quá trình đưa mẫu vật về Trái đất sẽ kéo dài một thập kỷ với sự tham gia của đối tác là Cơ quan Vũ trụ châu Âu (ESA) và nhiều trung tâm của NASA. ESA đang phát triển một robot tự hành thu gom mẫu vật trong khi nhóm kỹ sư ở Trung tâm nghiên cứu Glenn của NASA tại Cleveland, Ohio, thiết kế bánh xe. Robot tự hành sẽ chuyển mẫu vật cho trạm đổ bộ đang được phát triển tại Phòng thí nghiệm sức đẩy phản lực (JPL) của NASA ở Nam California. Trạm này sẽ sử dụng cánh tay robot do ESA phát triển để đặt mẫu vật vào tên lửa nhỏ gọi là Mars Ascent Vehicle thiết kế bởi Trung tâm bay vũ trụ Marshall của NASA ở Huntsville, Alabama.
Tên lửa sẽ phóng từ trạm đổ bộ để vận chuyển khoang chứa mẫu vật cho tàu vũ trụ ESA quay quanh sao Hỏa. Bên trong tàu quay quanh quỹ đạo, khoang chứa mẫu vật sẽ sẵn sàng để đưa về Trái đất nhờ phần cứng do nhóm chuyên gia đứng đầu là Trung tâm bay vũ trụ Goddard của NASA ở Greenbelt, Maryland, phát triển. Quá trình chuẩn bị sẽ bao gồm khóa khoang chứa mẫu vật bên trong container vô trùng để bảo vệ vật chất sao Hỏa bên trong, khử trùng khóa, đặt container vào hộp hồi quyển trước chuyến bay về Trái đất.
Để phát triển trạm đổ bộ cũng như hệ thống giúp phóng tên lửa chở mẫu vật, các kỹ sư ở JPL đang rút kinh nghiệm từ lịch sử khám phá sao Hỏa. JPL đã dẫn dắt 9 nhiệm vụ hạ cánh thành công trên sao Hỏa, bao gồm robot tự hành và trạm đổ bộ tĩnh. Nhưng Sample Retrieval Lander sẽ là tàu vũ trụ lớn và nặng nhất bay tới sao Hỏa và Mars Ascent Vehicle là tên lửa đầu tiên cất cánh từ hành tinh khác.
Để mang và phóng Mars Ascent Vehicle, trạm đổ bộ cần trở thành bệ phóng vững chắc, nặng 2.400kg, gần gấp đôi robot Perseverance. Trạm đổ bộ sẽ hạ cánh xuống bề mặt sao Hỏa bằng dây cáp từ hệ thống phản lực hoạt động bằng tên lửa. Các chân của Sample Retriever Lander sẽ hấp thụ lực tác động khi tiếp đất, dựa vào tên lửa đẩy lùi để giảm tốc độ, tương tự nhiệm vụ sao Hỏa gần đây như InSight và Phoenix.
Đó là lý do kỹ sư thử nghiệm Pavlina Karafillis nhiều lần thả rơi nguyên mẫu trạm đổ bộ trong không gian giống kho chứa hàng ở JPL. Cô và cộng sự sử dụng camera tốc độ cao để quan sát chân của nguyên mẫu va đập trên nền đất. Ký hiệu giống mã QR ở mỗi chân của nguyên mẫu giúp camera theo dõi chuyển động. Nhóm kỹ sư sử dụng video quay chậm để liên tục cập nhật mô hình máy tính, giúp họ hiểu rõ lực tác động phân tán như thế nào qua khắp trạm đổ bộ. Karafillis và đồng nghiệp bắt đầu với một nguyên mẫu lớn cỡ 1/3 tàu vũ trụ thực. Sử dụng nguyên mẫu nhẹ hơn là cách tìm hiểu thiết kế trạm đổ bộ cuối cùng di chuyển như thế nào với lực hấp dẫn yếu trên sao Hỏa. Cuối chương trình, họ sẽ thả rơi trạm đổ bộ kích cỡ thật.
Vượt qua quá trình hạ cánh chỉ là một phần trong thử thách. Phóng thành công tên lửa hai tầng dài 2,8 mét đặt trên sàn của trạm đổ bộ khiến độ khó nâng lên một tầm cao mới. Lực hấp dẫn của sao Hỏa chỉ bằng 1/3 Trái đất, do đó trọng lượng tên lửa kết hợp với khí xả có thể khiến trạm đổ bộ bị nghiêng hoặc đổ. Vì vậy, các kỹ sư đã phát triển một hệ thống hất văng tên lửa lên không trung trước khi khai hỏa. Tòa bộ quá trình chỉ xảy ra trong thời gian một cái búng tay với tốc độ ném tên lửa ở mức 5 m/s.
Trong quá trình thử nghiệm, một bộ giàn trang bị van đẩy ném văng tên lửa giả dài 3,3 m lên không trung. Cáp treo từ tháp cao 13 m đỡ hơn 1/2 trọng lượng của nguyên mẫu để mô phỏng lực hấp dẫn của sao Hỏa. Hệ thống có tên Vertically Ejected Controlled Tip-off Release (VECTOR) này cũng đồng thời tạo ra lực xoay nhẹ khi phóng. Chatellier và cộng sự đã thực hiện 23 thử nghiệm trong năm nay, thay đổi khối lượng và trọng tâm của tên lửa trong suốt quá trình. Năm sau, họ sẽ thử nghiệm phóng phiên bản tên lửa nặng hơn lên độ cao lớn hơn.
Đây sẽ là nhiệm vụ đầu tiên mang mẫu vật từ hành tinh khác về Trái đất. Những mẫu vật do robot Perseverance thu thập khi khám phá vùng châu thổ sông cổ đại là cơ hội tốt nhất để tìm hiểu sự tiến hóa của sao Hỏa ở thuở sơ khai, bao gồm khả năng tồn tại sự sống.