Những cỗ máy khoa học khổng lồ nhất

Nhằm hiểu biết hơn về vũ trụ rộng lớn và phức tạp, các nhà khoa học đã sáng tạo ra đủ những cỗ máy khoa học vĩ đại. Càng những công trình lớn lại càng cần thời gian, chi phí và nguồn nhân lực khổng lồ của nhiều quốc gia hợp tác.

Dưới đây là 10 cỗ máy khoa học khổng lồ của thế giới được đăng tải trên tạp chí Popsci. Theo Popsci bảng xếp hạng này được lựa chọn trên những tiêu chí về chi phí xây dựng, ngân sách hàng năm, số lượng nhân viên vận hành, qui mô kích cỡ dự án, mục đích của dự án cũng như tính thiết thực cho đời sống thường nhật.

10. Cỗ máy thời gian tiết lộ nguồn gốc vũ trụ RHIC

Trung tâm Máy va chạm ion nặng tương đối tính (RHIC) đi vào hoạt động từ năm 2000, với chi phí xây dựng 671 triệu USD, ngân sách hoạt động hàng năm 160 triệu USD và có chu vi 3,8 km, đặt tại bang New York (Mỹ), thành lập nhằm mục đích nghiên cứu quá trình tiến hóa vật chất trong vũ trụ. Sử dụng máy RHIC, các nhà khoa học muốn tái tạo lại trạng thái trong 10 micro giây đầu tiên sau vụ nổ lớn big bang.

Các nhà vật lý tại trung tâm RHIC đưa nguyên tử vàng qua nhiều máy gia tốc, làm vỡ hết các hạt electron của chúng, khiến các hạt này trở thành ion mang điện tích dương. Những hạt ion này được đưa vào hai ống tròn trong máy gia tốc lên đến tốc độ 99,9% tốc độ ánh sáng trước khi chúng va chạm vào nhau. Bằng cách nghiên cứu tàn dư của vụ va chạm này, các nhà khoa học đã nhận ra rằng các phân tử trong giai đoạn hậu big bang ở thể lỏng nhiều hơn là ở thể khí như đã đoán.

Dự án RHIC hiện đang được ứng dụng trong y học để phát triển thiết bị tăng gia tốc proton; rọi proton vào các khối u ung thư để giết chết các khối u ác tính. Các nhà khoa học cũng sử dụng chùm ion nặng để đục lỗ tí hon trên các tấm nhựa dẻo, tạo ra máy lọc có thể lọc vật chất ở cấp độ phân tử. Hơn hết, họ muốn tạo ra các thiết bị dự trữ năng lượng hữu hiệu nhất dựa trên công nghệ từ trường siêu dẫn dùng trong máy RHIC.

9. Hệ thống quan sát đại dương khổng lồ nhất thế giới Neptune

Hệ thống quan sát đại dương có tên Neptune bao gồm hơn 850 km đường cáp, 130 dụng cụ cùng 400 con cảm biến, tất cả được kết nối với hệ thống internet, giúp thám hiểm đại dương ở qui mô vĩ đại và liên tục ngày đêm. Hệ thống máy Neptune nằm cách 350km ngoài khơi bang British Columbia, Canada giúp quan sát sự sống các loài, địa lý và hóa học toàn vùng biển này.

Các camera độ nét cao của hệ thống cung cấp cho chúng ta những bức ảnh tĩnh và các video về các loài động vật cùng hành vi của chúng, giúp các nhà khoa học nghiên cứu thay đổi trong hệ sinh thái địa phương. Ống nghe dưới nước được gắn vào đáy biển giúp theo dõi số lượng và thói quen di cư của cá voi và cá heo. Ngoài ra một máy trượt được điều khiển từ xa có tên Wally sẽ di chuyển dọc lòng biển để nghiên cứu trữ lượng metan dưới nước, vốn là nguyên nhân khiến thay đổi khí hậu toàn cầu và cũng là một nguồn năng lượng tiềm năng.

Nhờ dự án này, chúng ta biết đến loài giun ống hay đơn giản được nghe được tiếng hát của cá voi lưng gù. Ngân sách chi phí hàng năm cho dự án lên đến 12 triệu USD. Chi phí xây dựng ban đầu là 106 triệu USD.

8. Kính thiên văn radio ‘nghe’ vũ trụ VLA

Trải dài trên hàng trăm kilomet vuông trên sa mạc rìa Magdalena, New Mexico (Mỹ), cụm kính thiên văn VLA là một trong những đài quan sát lớn nhất trên thế giới. 27 chiếc anten radio đơn, mỗi chiếc có đường kính 24 mét, tạo thành một chữ Y có tay dài 21 km giúp thu thập những tín hiệu từ những vật ở xa nhất trong vũ trụ.

Dự án “chị em” của nó, Cụm quan sát vạch ranh giới cực dài (VLBA), là một dãy 10 anten radio trải rộng trên 8900 km từ Hawaii đến quần đảo Virgin (Anh). Hệ thống cụm VLA và VLBA tạo ra những hình ảnh chi tiết về các vật thể trong vũ trụ ơ gần như mặt trăng và xa như ở rìa vũ trụ có thể quan sát được.

Đọc bất kì một chương sách giáo khoa thiên văn học hiện đại nào, bạn đều bắt gặp vài vật chất hoặc lý thuyết dựa trên dữ liệu thu thập được bởi VLA và VLBA. Nhờ sử dụng cụm kính thiên văn VLA, các nhà khoa học đã phát hiện ra lỗ đen ở trung tâm của Ngân Hà, tìm kiếm được nguồn gốc của các vụ nổ tia gamma ở trong các tinh vân ở xa, và vào năm 1989, đã nhận được tín hiệu truyền từ vệ tinh Voyager 2 khi nó di chuyển quanh Sao Hải Vương, cho chúng ta những hình ảnh cận cảnh đầu tiên về khối khí khổng lồ này và các mặt trăng của nó.

Ngân sách hàng năm cho dự án này là 15 triệu USD với vốn chi phí xây dựng ban đầu là 300 triệu USD.

7. Thí nghiệm nấu chảy tia laze lớn nhất mọi thời đại NIF

Được xem là máy tạo năng lượng laze lớn nhất thế giới, công trình National Ignition Facility (NIF) đặt ở Livermore, California (Mỹ), rộng bằng ba sân bóng, cao 10 tầng và sản xuất ra 2 triệu Jun năng lượng tia cực tím. Luồng sáng đó có thể tạo ra nhiệt độ hơn 100 triệu độ C và áp suất gấp 100 tỉ lần áp suất không khí trái đất – tương đương với điều kiện được thấy ở lõi các vì sao và các hành tinh khí khổng lồ.

Với cỗ máy này, các nhà khoa học tìm cách định nghĩa lại quá trình sản sinh năng lượng ừ các phản ứng nhiệt hạch. Họ cũng đang sử dụng công trình này để nghiên cứu điều gì xảy ra với những vũ khí hạt nhân qua thời gian, một vấn đề hóc búa nhằm đánh giá mức độ an toàn và tính tin cậy của các kho dự trữ Hoa Kỳ. Ngoài ra, các nhà khoa học hi vọng có thể hiểu được các vụ nổ sẽ sản sinh ra những nguyên tố có nguyên tử nặng như vàng và urani như thế nào.

Nếu bạn tình cờ dự trữ vũ khí hạt nhân trong nhà, thì dữ liệu của NIF sẽ giúp bạn xác định xem kho dự trữ của bạn có an toàn không. Mặt khác, một số thành phần của NIF giúp cung cấp năng lượng nhiệt hạch. Dự án có kinh phí xây dựng 3,54 tỉ USD này hiện cần ngân sách đến 140 triệu USD hàng năm.

6. Phi thuyền Juno, cảm tử quân thăm dò hành tinh Jupiter

Năm 2016, tàu Juno sẽ đi vào quĩ đạo sao Jupiter. Ngay trước khi đi vào quĩ đạo đó, nó sẽ đạt tốc độ 215.606 km một giờ, là vật thể nhanh nhất đã từng được con người tạo ra. Một khi vào quĩ đạo, tàu vũ trụ này sẽ thực hiện 33 vòng quay quanh hành tinh này rồi đâm thẳng xuống hành tinh này ‘tự tử’. Trong quá trình ‘tự tử’ đó, nó sẽ ‘cày’ xuyên lớp không khí đầy hydro của hành tinh Jupiter cho tới khi nó cháy lên giống như một sao băng. Trong khi Juno bay quanh Jupiter, một bộ 9 thiết bị sẽ nghiên cứu nhiều lớp của hành tinh này.

Jupiter là hành tinh hình thành sớm nhất trong hệ mặt trời, và vì nó rất lớn, trọng trường của nó có chứa các vật chất ban đầu tìm thấy trong hệ mặt trời thời nguyên thủy, như là khí hydro và heli. Do đó, hành tinh này là một cửa sổ hữu hiệu để khám phá nguồn gốc hệ mặt trời.

Việc nghiên cứu hành tinh Jupiter sẽ giúp chúng ta hiểu thêm hành tinh trái đất. Tuy nhiên đây chỉ là một dự án nghiên cứu khoa học thuần túy, xét về nhiều mặt.

5. Kính hiển vi khổng lồ nhất mọi thời đại (ALS)

Từ năm 1993, các nhà nghiên cứu Tại Trung tâm Máy gia tốc phân tử ‘Nguồn ánh sáng cao cấp’ (ALS) ở Berkeley, California, đã đưa thành công những chùm photon sáng gấp hàng triệu lần bề mặt mặt trời vào trong các protein, điện cực pin, chất siêu dẫn và các vật chất khác để khám phá các đặc tính nguyên tử, phân tử và điện của chúng.

Máy ALS là một trong những nguồn sáng sáng nhất của các tia X-quang mềm, có bước sóng đúng dành cho Hiển vi quang phổ (spectromicroscopy), thiết bị khoa học có thể tiết lộ cả cấu trúc lẫn tính chất hóa học của các mẫu vật chất mà chỉ có vài nano kế mới có thể khuyếch đại được.

Hiện công trình ALS phát triển một phương pháp điều trị mới để chữa u ác tính. Những dữ liệu của máy ALS có thể giúp tạo ra những máy sạc tăng khả năng sạc pin. Ngoài ra, công trình nghiên cứu này cũng thúc đẩy việc phát triển bóng bán dẫn ở cấp độ nguyên tử và các bộ vi xử lý vi tính ngày càng hiện đại hơn.

4. Cửa sổ ra vũ trụ của con người, Trạm ISS

Cần khoảng 2 tỉ USD hàng năm và hàng nghìn nhân viên để giữ Trạm vũ trụ ISS luôn sáng đèn. Cho tới nay, có 201 người từ 11 quốc gia (và 7 nhà du lịch giàu có) đã thăm viếng ISS, nơi hỗ trợ chứa con người liên tục lâu dài nhất trong vũ trụ - đến tháng 11 năm nay sẽ được 11 năm và sẽ còn tiếp tục hoạt động trong thập kỉ tới. Trạm ISS cũng là Quang phổ kế điện trường Alpha lớn nhất, nặng nhất từng được đưa vào không gian.

Trên trạm ISS, các nhà khoa học đã thử nghiệm các kết cấu tàu vũ trụ và củng cố những hệ thống có thể được sử dụng để giúp con người bay vào vũ trụ lâu dài. Họ cũng kiểm tra sinh lý học con người, nghiên cứu tác động của tình trạng không trọng lượng đối với mật độ xương và việc sản sinh tế bào hồng cầu và việc hệ miễn dịch thay đổi như thế nào trong suốt thời gian dài ở ngoài vũ trụ. Cũng trong tháng 5 vừa qua, các nhà nghiên cứu đã tạo ra AMS, một thiết bị giúp dò tìm vật chất lạ, các hạt quark đã từng được tạo ra trong các máy gia tốc phân tử nhưng chưa bao giờ được thấy trong tự nhiên.

Nghiên cứu được tiến hành trên ISS đã phát hiện vi khuẩn salmonela (loại vi khuẩn làm cho thức ăn trở thành độc) trở nên độc hại hơn nhiều trong không gian. Khám phá đó, và sự xác định các loại gien gây ra thay đổi, đang tiếp thêm lửa cho việc phát triển những vacxin đầu tiên chống salmonela và các vi trùng MRSA, bệnh lây nhiễm tụ cầu đã gây thành dịch đối với hàng nghìn bệnh nhân ở các bệnh viện trên thế giới.

3. Máy chụp hình phân tử, hệ thống phá vỡ nguồn nơtron SNS

Hàng tháng, hệ thống phá vỡ nguồn nơtron SNS ở Oak Ridge, bang Tennessee của Mỹ, cần sử dụng 32 triệu lít nước sạch để làm lạnh. Khi hoạt động, các máy gia tốc phân tử của SNS đập vỡ hai nghìn triệu triệu hạt nơtron mỗi lần đập nơtron xuống một khoang đích. Những đám mây dày đặc nơtron này làm cong những vật chất giúp tìm hiểu cấu trúc nguyên tử đã thay đổi như thế nào qua thời gian.

Ích lợi lớn nhất của công trình nghiên cứu này là tạo ra những nguồn pin tốt hơn. Các nhà khoa học sử dụng những bộ phim ở mức nguyên tử để quan sát pin khi chúng nạp và sạp ra trong thời gian thực. SNS cũng được dùng để nghiên cứu cấu trúc protein.

2. Máy gia tốc hạt nhân lớn LHC

Chôn 100 mét bên dưới vùng đất biên giới Thụy Sĩ và Pháp, Máy LHC là máy gia tốc hạt nhân lớn nhất thế giới. Cơ sở này cần 700 gigawat điện trong một giờ và trung bình cần 1 tỉ USD hàng năm để hoạt động. Hơn 10.000 nhà nghiên cứu, kỹ sư, và sinh viên từ 60 quốc gia khác nhau trên 6 châu lục đang làm việc với 6 cỗ máy nhỏ của LHC. Công trình này được xây dựng nhằm giúp mở cánh cửa vật lý cơ bản vũ trụ.

6 máy dò hạt nhân của hệ thống LHC ghi lại bằng hình ảnh các loại năng lượng và nhận diện các hạt dưới nguyên tử; giúp trả lời những câu hỏi như: Thực chất vật chất đen (dark matter) là gì? Liệu có những chiều phụ nữa trong vũ trụ? Liệu hạt Higgs thường được gọi là “hạt Thượng đế” có tồn tại thực sự hay không? Vũ trụ được hình thành như thế nào?

Mặc dù LHC đã giúp các nhà khoa học cơ bản hiểu rõ về những lý thuyết vật lý như lỗ đen, dự án này ít ảnh hưởng đối với đời sống hàng ngày, trừ khi gia đình và bạn bè của bạn là những người chuyên bàn bạc về nguồn gốc của vũ trụ sau bữa tối.

1. Kính viễn vọng nhìn vào tâm Trái đất EarthScope

Được thiết kế để nghiên cứu sự tiến hóa địa chất của lục địa Bắc Mỹ, kính viễn vọng trái đất EarthScope là dự án khoa học ‘khủng’ nhất trên toàn trái đất. Đài quan sát khoa học trái đất này đã ghi nhận dữ liệu trên 6 triệu km². Từ năm 2003, hơn 4000 thiết bị của nó đã cóp nhặt được 67 terabyte dữ liệu (67.000 gigabyte), tương đương với dữ liệu của Thư viện Quốc hội Mỹ - và mỗi 6 đến 8 tuần lại tích thêm một terabyte dữ liệu.

Các nhà nghiên cứu đang sử dụng EarthScope cho nhiều loại thí nghiệm để khám phá các mặt của kết cấu địa lý lục địa Bắc Mỹ. 1.100 đơn vị GPS vĩnh viễn của hệ thống này trải dài trên toàn nước Mỹ, và Puerto Rico, giúp tìm kiếm các ‘biến dị’ bề mặt trái đất gây ra bởi các dịch chuyển địa tầng bên dưới. Hơn 10 năm nay, nhiều nhóm khoa học gia di chuyển 400 địa chấn kế di động khắp Bắc Mỹ và sẽ thu thập được dữ liệu trên 2000 địa điểm khác nhau tính đến năm tới.

Các dữ liệu EarthScope có thể giúp lý giải cường lực đằng sau các sự kiện địa lý như động đất, núi lửa phun trào, giúp tìm ra những cách phát hiện để phòng tránh tốt hơn.