Trạm vũ trụ quốc tế ISS hoạt động thế nào: điện, khí thở, quỹ đạo

Trạm vũ trụ quốc tế ISS là một phòng thí nghiệm có người ở, bay quanh Trái Đất ở độ cao khoảng 400 km với tốc độ gần 28.000 km/h, hết một vòng trong khoảng 90 phút. Nó được lắp ráp từ năm 1998 bằng các mô-đun do Mỹ, Nga, châu Âu, Nhật Bản và Canada đóng góp, và có người ở liên tục từ ngày 2/11/2000 đến nay. Bài này giải thích trạm đứng vững trên quỹ đạo thế nào, lấy điện, khí thở, nước ở đâu, và vì sao nó sắp đến ngày nghỉ hưu.

ISS qua những con số

Góc nghiêng 51,6 độ không phải ngẫu nhiên. Đó là góc mà tên lửa phóng từ Baikonur (Kazakhstan) đi tới dễ nhất, nên cả tàu Nga và tàu Mỹ đều lên được. Nhờ góc này, ISS bay qua bầu trời của phần lớn các nước có người ở, trong đó có toàn bộ Việt Nam.

Lắp ráp ngoài không gian: 13 năm, hàng chục chuyến bay

ISS không được phóng nguyên khối mà được ráp dần như bộ xếp hình khổng lồ. Mô-đun đầu tiên là Zarya, do Nga chế tạo bằng tiền của Mỹ, phóng ngày 20/11/1998. Hai tuần sau, tàu con thoi Endeavour mang lên mô-đun nối Unity. Tháng 7/2000, mô-đun Zvezda của Nga lên, đem theo khu sinh hoạt và động cơ. Ngày 2/11/2000, tổ bay đầu tiên gồm William Shepherd, Yuri Gidzenko và Sergei Krikalev chuyển vào ở.

Từ đó trạm lớn dần. Phòng thí nghiệm Destiny của Mỹ đến năm 2001, Columbus của châu Âu và Kibo của Nhật năm 2008. Cánh tay máy Canadarm2 của Canada đảm nhận việc gắp, đặt các mô-đun và hỗ trợ phi hành gia khi làm việc bên ngoài. Phần lớn việc lắp ráp hoàn tất năm 2011, đúng lúc tàu con thoi nghỉ hưu. Tổng chi phí thường được ước tính trên 100 tỷ USD, khiến ISS là một trong những công trình đắt nhất loài người từng làm.

Trạm chia làm hai phần chính: phần Nga và phần do Mỹ cùng các đối tác vận hành. Mỗi phần có hệ thống riêng nhưng chia sẻ điện, khí và dữ liệu cho nhau.

Vì sao trạm không rơi?

Thực ra trạm đang rơi liên tục. Ở độ cao 400 km, lực hút của Trái Đất vẫn còn khoảng 90% so với mặt đất. Trạm "rơi" về phía Trái Đất, nhưng đồng thời lao ngang nhanh đến mức mặt đất cong đi kịp trước khi nó chạm tới. Rơi mãi mà không bao giờ chạm đất, đó là quỹ đạo.

Cũng vì cùng rơi với trạm nên người và đồ vật bên trong trôi lơ lửng. "Không trọng lượng" không có nghĩa là không có trọng lực, mà là mọi thứ rơi cùng nhau.

Bị khí quyển kéo xuống

Ở độ cao ấy vẫn còn chút khí quyển cực loãng. Nó cản trạm, làm trạm mất dần độ cao, nhanh hơn khi Mặt Trời hoạt động mạnh làm khí quyển phồng lên. Định kỳ, trạm phải "nâng quỹ đạo" bằng động cơ của mô-đun Zvezda hoặc của các tàu chở hàng đang đậu, chủ yếu là tàu Progress của Nga. Không làm việc này, trạm sẽ rơi vào khí quyển trong vòng một vài năm.

Né rác vũ trụ

Quanh Trái Đất có hàng chục nghìn mảnh vỡ được theo dõi, từ tầng tên lửa cũ đến vệ tinh vỡ. Khi một mảnh được dự báo bay quá gần, trạm dùng động cơ để lệch quỹ đạo một chút. Có những lần cảnh báo đến muộn, tổ bay phải vào trú trong tàu vũ trụ đang đậu, sẵn sàng tách ra trở về nếu trạm bị thủng. Lớp chắn nhiều tầng trên vỏ trạm chịu được các mảnh nhỏ cỡ vài milimét.

Điện, nhiệt, không khí và nước

Điện đến từ tám cánh pin Mặt Trời lớn trên dàn khung chính, cùng các tấm pin cuộn kiểu mới lắp thêm từ năm 2021. Chúng xoay theo Mặt Trời và cho công suất hơn 100 kW lúc cao điểm. Vì mỗi vòng có khoảng một phần ba thời gian ở trong bóng Trái Đất, trạm cần ắc quy để chạy qua "đêm" kéo dài khoảng 35 phút, lặp lại 15–16 lần mỗi ngày.

Nhiệt là bài toán ngược. Phía có nắng nóng hơn 100 độ C, phía khuất lạnh hơn âm 100 độ C. Máy móc và con người bên trong sinh nhiệt liên tục mà trong chân không không có gió để làm mát. Trạm bơm amoniac lỏng qua các tấm tản nhiệt lớn màu trắng để thải nhiệt ra không gian dưới dạng bức xạ.

Giữ hướng bay ổn định dùng các con quay hồi chuyển cỡ lớn quay hàng nghìn vòng mỗi phút. Nghiêng trục quay của chúng là xoay được cả trạm mà không tốn nhiên liệu. Động cơ chỉ dùng khi cần xoay mạnh.

Không khí và nước: hệ thống gần như khép kín

Không có đường ống nào nối từ Trái Đất lên, nên mọi giọt nước đều quý.

• Oxy được tạo bằng cách điện phân nước, tách thành oxy để thở và hydro. Dự phòng có bình oxy nén và các ống tạo oxy bằng phản ứng hóa học.
• Khí CO2 do người thở ra được hút qua các máy lọc hấp phụ rồi xả ra ngoài, hoặc đưa vào thiết bị phản ứng Sabatier: CO2 gặp hydro tạo ra nước và khí metan.
• Nước tái chế từ hơi ẩm trong không khí (cả mồ hôi và hơi thở), từ nước tiểu và nước rửa. Năm 2023 NASA công bố hệ thống phía Mỹ đạt mức thu hồi khoảng 98% lượng nước đưa vào xử lý.

Những gì không tái chế được, như thức ăn, phụ tùng, thí nghiệm mới, phải chở lên bằng tàu hàng: Progress của Nga, Cygnus của Northrop Grumman, Dragon chở hàng của SpaceX và một số tàu khác qua từng giai đoạn. Rác được nhét vào tàu hàng cũ cho cháy trong khí quyển khi tàu rời trạm.

Đưa người lên xuống

Đến năm 2011, tàu con thoi của Mỹ và tàu Soyuz của Nga cùng chở người. Từ 2011 đến 2020, Soyuz là đường duy nhất. Từ năm 2020, tàu Crew Dragon của SpaceX bắt đầu chở phi hành gia cho NASA. Mỗi tàu chở người đậu ở trạm suốt thời gian tổ bay làm việc, đóng vai trò "xuồng cứu sinh": có sự cố là cả tổ lên tàu và về được ngay.

Đến nay đã có hơn 250 người từ khoảng hai chục quốc gia lên trạm, kể cả một số khách bay tư nhân.

Trạm để làm gì

ISS trước hết là một phòng thí nghiệm vi trọng lực. Ở đó, lửa cháy thành quả cầu xanh, chất lỏng không phân lớp theo khối lượng, tinh thể protein mọc đều hơn để các nhà hóa sinh nghiên cứu cấu trúc. Cơ thể phi hành gia cũng là đối tượng nghiên cứu: mất xương, teo cơ, đổi thị lực, đổi hệ miễn dịch. Không trả lời được những câu hỏi ấy thì không thể tính chuyện đưa người đi sao Hỏa nhiều năm.

Trạm còn có thiết bị quan sát Trái Đất, máy dò tia vũ trụ AMS-02 tìm phản vật chất và vật chất tối, cùng hàng nghìn thí nghiệm của các trường đại học trên khắp thế giới.

Ngày nghỉ hưu sắp tới

Các phần của trạm đã ở trên quỹ đạo hơn hai thập kỷ, chịu hàng chục nghìn chu kỳ nóng lạnh. Đã có những vết nứt nhỏ gây rò khí ở phần Nga phải theo dõi thường xuyên. Theo kế hoạch hiện tại, ISS hoạt động đến khoảng năm 2030. Sau đó, một tàu kéo đặc biệt do SpaceX chế tạo theo hợp đồng với NASA sẽ đẩy trạm rơi có kiểm soát xuống một vùng hẻo lánh ở nam Thái Bình Dương. Các trạm thương mại nhỏ hơn đang được các công ty tư nhân phát triển để thay thế. Trung Quốc thì đã có trạm Thiên Cung riêng, hoàn thiện cấu trúc cơ bản năm 2022.

Góc nhìn hôm nay: tự tay nhìn thấy ISS từ Việt Nam

ISS là vật thể nhân tạo sáng nhất trên bầu trời, sáng hơn mọi ngôi sao. Thấy nó không cần kính, chỉ cần biết giờ:

1. Tra lịch bay qua bằng dịch vụ "Spot the Station" của NASA hoặc trang Heavens-Above, nhập vị trí của mình.
2. Chọn những lần bay qua lúc chạng vạng, khoảng một đến hai giờ sau hoàng hôn hoặc trước bình minh: trời đã tối nhưng trạm trên cao vẫn còn được nắng chiếu.
3. Nhìn về hướng ghi trong lịch. Trạm hiện ra như một chấm sáng trắng đều, không nhấp nháy, không có đèn đỏ xanh như máy bay, lướt ngang trời trong khoảng bốn đến sáu phút rồi mờ dần khi đi vào bóng Trái Đất.

Có người cầu kỳ hơn thì chụp phơi sáng bằng điện thoại để ghi lại vệt sáng. Cảm giác biết rằng trong chấm sáng ấy có vài người đang ăn tối, đang ngủ, đang làm thí nghiệm, là thứ không bài viết nào thay được.