Vành đai Van Allen và cách tàu Apollo vượt qua thử thách này để lên Mặt trăng (Phần 2)

Phần cuối của loạt bài 2 phần về quá trình NASA chuẩn bị cho các phi hành gia Apollo vượt qua vành đai bức xạ chết người Van Allen để lên mặt trăng.

Loạt bài tổng hợp chủ yếu từ tạp chí Khoa học phổ thông (Popular Science) uy tín 150 năm lịch sử của Mỹ và tài liệu của NASA.

Tóm tắt phần 1: Sơ lược về vành đai bức xạ Van Allen và quá trình NASA tìm giải pháp đưa tàu Apollo vượt qua vành đai chết người này khi có tham vọng lên mặt trăng từ năm 1961. Nhà vật lý không gian James Van Allen đề xuất "dọn dẹp" vành đai bằng một quả bom hạt nhân. NASA chưa có ý định làm điều này thì Ủy ban Năng lượng Nguyên tử đã thử nghiệm một quả bom để nghiên cứu chiến tranh hạt nhân.

Phần 2: Thử nghiệm hạt nhân và các kết quả đo lường bức xạ sau khi lên Mặt trăng

Các vụ thử nghiệm hạt nhân của Mỹ đã được giữ kín trong hơn 50 năm qua. Cho đến gần đây, tài liệu về chúng mới được giải mật và công bố rộng rãi.

Thử nghiệm hạt nhân

Theo Popular Science, chương trình thử nghiệm hạt nhân của Mỹ vào đầu những năm 1960 mang tên Operation Dominic là một nhóm các thử nghiệm khí quyển được thiết kế để giúp các nhà nghiên cứu hiểu rõ cách thức bụi vũ khí hạt nhân tương tác với từ trường trái đất nếu có chiến tranh hạt nhân xảy ra. Đỉnh cao của các thử nghiệm Fishbowl này là Starfish Prime, một quả bom 1,4 megaton (tương đương 1,4 triệu tấn thuốc nổ TNT, lớn gấp 100 lần hai quả bom được Mỹ thả xuống Hiroshima và Nagasaki ở Nhật Bản trong thế chiến 2) được thả xuống Thái Bình Dương từ độ cao 400km.

Kết quả của vụ nổ hạt nhân trên là quả bom khổng lồ Starfish đã làm cho bức xạ bao quanh trái đất nặng nề thêm, thay vì xóa bỏ vành đai Van Allen nhỏ (vành đai trong - inner belt) như dự kiến. Đến năm 1969, số lượng electron năng lượng cao được Starfish Prime "bơm" thêm vào vành đai Van Allen nhỏ mới giảm còn 1/12 cường độ cao nhất của quả bom này sau vụ nổ.

Starfish Prime sau khi phát nổ 45-90 giây. (Ảnh: Los Alamos National Laboratory).

Lên mặt trăng và các kết quả đo lường bức xạ

Tháng 2/1964, NASA vẫn tự tin rằng phi hành đoàn Apollo có thể vượt qua các vành đai đủ nhanh để lớp vỏ tàu không gian và các dụng cụ trên tường tàu được bảo vệ vừa đủ. Dường như NASA đã có phần liều lĩnh khi chấp nhận rủi ro của việc đưa con người qua vành đai bức xạ chết người mà không có thêm sự bảo vệ nào. Nhưng trong khuôn khổ các sứ mệnh Apollo thì đó chỉ là một rủi ro nhỏ, nhà báo Amy Shira Teitel của Popular Science nhận định.

Phóng tàu con thoi.

Để theo dõi độ phơi nhiễm phóng xạ trong các chuyến bay, các phi hành đoàn Apollo mang theo các máy đo phóng xạ trên tàu và trên người mỗi cá nhân. Các kết quả khẳng định NASA đã quyết định đúng. Vào cuối chương trình, cơ quan không gian lớn nhất thế giới khăng định rằng các phi hành gia của mình đã tránh được một lượng phóng xạ lớn mà nhiều người lo sợ sẽ rơi xuống các chuyến bay lên mặt trăng.

Lượng phóng xạ gây chết người mà Hiệp hội sức khỏe và an toàn nghề nghiệp Mỹ khuyến cáo là 300 Rads trong một giờ. Các bệnh về phóng xạ chỉ xảy ra khi bạn phơi nhiễm trước phóng xạ ở mức 200-1000 rads trong vài giờ. Còn quy định của Ủy ban Năng lượng Nguyên tử về độ phơi nhiễm phóng xạ dành cho công nhân thường xuyên làm việc với vật chất phóng xạ là 5 rem hay 5 rad/năm (rem và rad đều là các đơn vị đo lường mức độ hấp thu phóng xạ, rem dùng để đo mức độ hấp thu phóng xạ ở các mô người).

Theo Space Centre UK, các thời điểm Apollo lên mặt trăng là những lúc cường độ của vành đai Van Allen thấp nhất (cường độ này được tính theo sự dao động trước hoạt động của mặt trời).

James Van Allen (1914-2006).

Trong email trả lời độc giả một diễn đàn bí ẩn vũ trụ năm 2005, người khám phá ra vành đai Van Allen, nhà nghiên cứu James Van Allen (1914-2006) đã giải thích về các hiệu ứng bức xạ của vành đai này như dưới đây:

"Khu vực nguy hiểm và khó khăn nhất là các proton năng lượng rất cao (hàng chục đến hàng trăm triệu electron volt).

(MeV-mega electron-volt là đơn vị chỉ năng lượng thu được bởi một electron chuyển động qua một hiệu điện thế 1 triệu volt trong chân không).

Đặc biệt, để tránh phơi nhiễm bức xạ ở mức đáng kể thì các chuyến bay dài (ví dụ trong nhiều tháng) của con người và các động vật khác trong quỹ đạo trái đất phải được thực hiện ở các độ cao thấp hơn 400 km.

Ở độ cao 1.600km, một người ở trong một cabin của tàu con thoi không gian trong quỹ đạo xích đạo tròn ở khu vực mạnh nhất của vành đai bức xạ bên trong (inner belt) sẽ nhiễm phải liều phóng xạ gây chết người trong khoảng một tuần.

Tuy nhiên, các quỹ đạo trong và ngoài của tàu Apollo sẽ cắt ngang các phần bên ngoài của vành đai trong, và bởi vì tốc độ cao nên Apollo chỉ mất 15 phút để băng qua khu vực này, và ít hơn 2 giờ để băng qua vùng ít phóng xạ xâm nhập hơn nhiều là vành đai ngoài (vận tốc của phi thuyền Apollo theo tài liệu NASA là 25 ngàn km/h).

Kết quả là phơi nhiễm phóng xạ của chuyến đi khứ hồi (đi-về) vẫn ít hơn 1% mức gây chết người - một rủi ro rất nhỏ giữa những rủi ro lớn hơn nhiều của những chuyến bay như thế. Tôi đã thực hiện những ước tính này vào đầu những năm 1960 và thông báo cho các kỹ sư NASA phụ trách hoạch định cho các chuyến bay Apollo. Các ước tính này vẫn đáng tin cậy".

Như vậy, tổng thời gian Apollo xuyên qua các vành đai Van Allen là khoảng hai giờ. Quỹ đạo của Apollo 11 cũng đã được tính toán để tránh những khu vực bức xạ mạnh nhất, theo nhà báo Amy.

Quỹ đạo của Apollo 11 đã được tính toán để tránh những khu vực bức xạ mạnh nhất. (Ảnh: NASA).

Dưới đây là bảng thống kê lượng phóng xạ trung bình mà các phi hành đoàn Apollo đã hấp thu, từ Apollo 7-Apollo 17 năm 1972 (các chuyến lên mặt trăng là Apollo 11-17). Nguồn số liệu là biên bản kỹ thuật về phóng xạ của NASA.

Lượng phóng xạ trung bình mà các phi hành đoàn Apollo từ Apollo 7-Apollo 17 đã hấp thu.

Theo bảng trên, độ phơi nhiễm phóng xạ trung bình của phi hành đoàn chuyến đầu tiên lên mặt trăng, Apollo 11, là 0,18 rads (tương đương 0,18 rem hay lượng phóng xạ từ một lần chụp X quang ở ngực). Độ phơi nhiễm phóng xạ trung bình của tất cả các sứ mệnh Apollo lên mặt trăng chỉ từ 0,18-0,55 rads, thấp hơn rất nhiều so với các quy định an toàn nêu trên.

Theo Popular Science, không có trường hợp phi hành gia nào bị suy nhược về mặt sinh lý hoặc y khoa. Bên cạnh đó, các phi hành gia Apollo đều đã từng bay thử nghiệm trong các đợt tập huấn chuẩn bị cho chuyến bay lên mặt trăng đầu tiên trong lịch sử nhân loại. Nhà báo Amy cho rằng, bay lên mặt trăng và phơi nhiễm phóng xạ với các phi hành gia Apollo cũng giống như một ngày ở văn phòng và nó vẫn an toàn hơn thử nghiệm phi cơ quân sự trên bầu trời căn cứ không quân Edwards.

(*) Căn cứ Edwards ở miền Nam California là một trong những căn cứ quân sự quan trọng nhất nước Mỹ. Đây cũng là trụ sở trung tâm nghiên cứu bay Armstrong của NASA.

Vành đai Van Allen và cách tàu Apollo vượt qua thử thách này để lên Mặt trăng (Phần 1)