Hiện nay, có một con tàu vũ trụ đang lao đi trong không gian, cách Trái đất 24 tỷ km, phát đi tín hiệu yếu hơn cả bóng đèn trong tủ lạnh, nhưng bằng cách nào đó chúng ta vẫn có thể thu được – đó chính là tàu vũ trụ Voyager 1. Tín hiệu mà chúng ta nhận được hôm nay đã rời khỏi Voyager 1 gần 24 giờ trước. Tín hiệu này di chuyển với tốc độ ánh sáng trong suốt một ngày trước khi đến được Trái Đất. Mặc dù khoảng cách khổng lồ như vậy, NASA (Cơ quan hàng không vũ trụ Mỹ) vẫn duy trì liên lạc, thậm chí còn gửi các bản cập nhật phần mềm ngược trở lại con tàu.

Trong bài viết lần này, ban biên tập technologyMAG chia sẻ video của kênh AstroKobi, giới thiệu về tàu vũ trụ Voyager và cách con người duy trì liên lạc với vật thể nhân tạo cách xa Trái đất nhất này.

Để hiểu được điều này, cần nhìn vào Phòng Thí nghiệm Sức đẩy phản lực của NASA (NASA’s Jet Propulsion Laboratory – JPL), nơi một nhóm chỉ khoảng mười người đang duy trì hoạt động của cả hai tàu Voyager, đồng thời đã nhiều lần cứu chúng khỏi các tình huống cận kề thất bại. Câu chuyện bắt đầu từ năm 1964, khi một sinh viên tại JPL phát hiện ra sự kiện các hành tinh xếp thẳng hàng với nhau (planetary alignment), chỉ xảy ra một lần mỗi 176 năm, khi Sao Mộc, Sao Thổ, Sao Thiên Vương và Sao Hải Vương xếp thẳng hàng theo cách cho phép một tàu vũ trụ sử dụng trợ lực hấp dẫn để bay qua chúng. Một hành trình vốn mất 30 năm có thể rút ngắn còn 12 năm. NASA ban đầu dự định triển khai bốn tàu cho nhiệm vụ mang tên Grand Tour, nhưng sau các chuyến đổ bộ Mặt Trăng, ngân sách bị cắt giảm và nhiệm vụ chỉ còn lại hai tàu.

Sứ mệnh Voyager và hành trình ra ngoài Hệ Mặt Trời
Mỗi tàu mang theo một đĩa vàng chứa hình ảnh, âm thanh và lời chào đại diện cho nhân loại, dù nhiệm vụ chính vẫn là thám hiểm Sao Mộc và Sao Thổ. Hai tàu Voyager được thiết kế có tính dự phòng, để nếu một tàu gặp sự cố thì tàu còn lại vẫn có thể truyền dữ liệu về. Voyager 2 được phóng trước vào tháng 8 năm 1977 với quỹ đạo chậm hơn để ghé thăm cả bốn hành tinh ngoài (outer planets) (1), trong khi Voyager 1 theo sau với tốc độ nhanh hơn để tiếp cận Sao Mộc và Sao Thổ sớm hơn.
(1) Outer planets là cách gọi trong thiên văn học để chỉ những hành tinh nằm xa Mặt Trời hơn so với vành đai tiểu hành tinh, bao gồm Sao Mộc, Sao Thổ, Sao Thiên Vương và Sao Hải Vương.

Cả hai đã gửi về những hình ảnh cận cảnh đầu tiên của các hành tinh ngoài, bao gồm cả việc phát hiện các núi lửa đang hoạt động trên mặt trăng Io của Sao Mộc. Chúng vẫn là những tàu duy nhất từng đi đến Sao Thiên Vương và Sao Hải Vương, đồng thời ghi lại hình ảnh “chấm xanh nhạt” (pale blue dot) nổi tiếng của Trái đất khi Voyager 1 rời xa hệ mặt trời và tiến vào không gian sâu. 

Pale Blue Dot là bức ảnh chụp Trái đất vào ngày 14.02.1990 bởi tàu vũ trụ Voyager 1 ở khoảng cách 6 tỷ km cách Mặt Trời. Nguồn: NASA Scienece

Sau khi bay qua Sao Thổ, Voyager 1 được đẩy lệch lên phía bắc, rời khỏi Hệ Mặt Trời với tốc độ 17 km mỗi giây mà không có khả năng quay trở lại, trong khi Voyager 2 đi về phía nam với hành trình tương tự. Đã có lúc NASA hoàn toàn mất liên lạc với Voyager 2 và buộc phải thực hiện một nỗ lực tuyệt vọng để khôi phục kết nối, sau này được gọi là “Interstellar Scream”.

Cách con người lắng nghe tín hiệu yếu nhất vũ trụ
Mỗi tàu Voyager được trang bị một ăng-ten dạng chảo đường kính 3,7 mét, tuy lớn nhưng bộ phát phía sau chỉ có công suất tương đương một bóng đèn trong tủ lạnh. Nó phát tín hiệu mạnh nhất có thể, xuyên qua hàng tỷ km để đến Trái Đất. Để thu tín hiệu này, NASA xây dựng Mạng không gian sâu (Deep space network) gồm ba tổ hợp ăng-ten khổng lồ đặt tại sa mạc California, gần Madrid – Tây Ban Nha và gần Canberra – Úc, cách nhau khoảng 120 độ quanh Trái Đất để đảm bảo luôn có một trạm có thể liên lạc khi Trái Đất quay.

Các ăng-ten này cực kỳ nhạy, với bộ thu được làm lạnh ở mức cực thấp, chỉ cách độ không tuyệt đối 4 độ, để tránh nhiễu nhiệt lấn át tín hiệu. Ở khoảng cách 22 đến 24 tỷ km, cần toàn bộ khả năng thu của các ăng-ten này mới có thể bắt được tín hiệu cực yếu từ Voyager. Khi đến Trái Đất, tín hiệu chỉ còn nhỏ hơn một attowatt – tức một phần tỷ của một phần tỷ watt, yếu hơn khoảng 20 tỷ lần so với pin của một chiếc đồng hồ kỹ thuật số. Các chảo parabol đường kính 70 mét thu và hội tụ sóng vô tuyến vào một bộ thu duy nhất có độ nhạy cực cao, cho phép duy trì cả những liên lạc mong manh.

Ngoài ra, tốc độ cao của Voyager gây ra hiệu ứng Doppler (2) làm lệch tần số tín hiệu, buộc các kỹ sư phải điều chỉnh theo thời gian thực để giải mã dữ liệu. Độ trễ truyền thông cũng rất lớn, với thời gian ánh sáng một chiều khoảng 23,5 giờ, nghĩa là lệnh gửi đi vào sáng thứ Hai chỉ có thể thấy kết quả vào sáng thứ Tư. Việc gửi lệnh ngược lại được thực hiện bằng chính các ăng-ten này, với tín hiệu mạnh hơn hơn 1.000 lần so với tín hiệu nhận được.
(2) Hiệu ứng Hiệu ứng Doppler là hiện tượng tần số (hoặc bước sóng) của sóng thay đổi khi có chuyển động tương đối giữa nguồn phát và người quan sát.

Giới hạn phần cứng và nguồn năng lượng của Voyager
Mặc dù được thiết kế với các thiết bị đơn giản (so với công nghệ ngày nay), Voyager vẫn là một kỳ tích kỹ thuật. Sáu máy tính trên tàu chỉ có tổng cộng 68 KB bộ nhớ, ít hơn cả một chìa khóa xe điện tử hiện đại, trong khi điện thoại ngày nay mạnh hơn hàng triệu lần. Tuy nhiên, các kỹ sư NASA vẫn liên tục cập nhật phần mềm trong gần 50 năm để sửa lỗi và thích nghi với hỏng hóc.

Mỗi tàu được cấp năng lượng bởi ba máy phát nhiệt điện đồng vị phóng xạ sử dụng plutonium phân rã. Ban đầu chúng tạo ra khoảng 470 watt năng lượng, nhưng hiện chỉ còn khoảng 210 watt. Khi năng lượng giảm, các thiết bị khoa học phải lần lượt tắt đi, hiện chỉ còn ba trong số mười một thiết bị ban đầu còn hoạt động. Một trong số đó là từ kế, thiết bị đã xác nhận Voyager bước vào không gian liên sao bằng cách phát hiện sự thay đổi trong từ trường, chứng minh nó đã rời khỏi vùng ảnh hưởng của Mặt Trời.

Những sự cố và cách con người cứu Voyager
Việc duy trì liên lạc đã trải qua nhiều sự cố nghiêm trọng. Năm 1978, một lỗi lịch trình khiến Voyager 2 mất liên lạc với Trái đất trong bảy ngày, khiến hệ thống tự động chuyển sang bộ thu dự phòng có tụ điện bị hỏng. Khi cố chuyển lại bộ thu chính, cầu chì bị cháy, khiến tàu bị mắc kẹt với bộ thu lỗi. Các kỹ sư tại Madrid đã gửi tín hiệu thử qua nhiều tần số khác nhau cho đến khi tìm được dải mà bộ thu có thể nhận, khôi phục liên lạc sau nhiều giờ. Giải pháp tạm này vẫn được sử dụng cho đến ngày nay.

Đến năm 2020, Voyager 2 gặp sự cố tiêu thụ điện vượt mức do lệnh bị trễ khiến hai hệ thống công suất cao hoạt động cùng lúc, buộc phần mềm an toàn tắt toàn bộ năm thiết bị khoa học còn lại. Việc khắc phục mất một tuần do độ trễ liên lạc. Năm 2022, Voyager 1 gửi dữ liệu vô nghĩa vì định tuyến qua một máy tính không còn hoạt động, vấn đề được giải quyết bằng cách chuyển lại đường truyền. Năm 2023, Voyager 2 mất liên lạc trong hai tuần do ăng-ten bị lệch hướng và không nhận lệnh, đặc biệt nghiêm trọng vì nó chỉ có thể liên lạc qua trạm tại Úc. Sau khi phát hiện tín hiệu yếu, các kỹ sư đã gửi lệnh “Interstellar Scream” với công suất tăng lên 250 phần trăm để yêu cầu điều chỉnh lại ăng-ten, và kết nối đã được khôi phục.

Tương lai và ý nghĩa của Voyager
Qua tất cả những thử thách, một nhóm nhỏ kỹ sư vẫn duy trì hoạt động của hai tàu trong gần nửa thế kỷ, vượt xa thiết kế ban đầu chỉ năm năm. Nếu chế tạo một Voyager mới ngày nay, nó có thể sử dụng máy tính mạnh hơn nhiều, liên lạc laser tốc độ cao và hệ thống tự động xử lý sự cố. Lượng dữ liệu khoa học thu được có thể lớn hơn gấp 1.000 lần, và với công nghệ buồm mặt trời, tàu có thể đạt tốc độ gấp bốn lần Voyager, thậm chí vượt qua chúng trong một thập kỷ và hướng đến các hệ sao gần.

Cũng có những ý tưởng về việc tạo ra một phiên bản mới của đĩa vàng, thể hiện sự đa dạng của Trái đất từ con người đến đại dương, núi non và sa mạc, với thông điệp tích cực và hy vọng. Tuy nhiên, hiện tại, hai tàu Voyager vẫn tiếp tục hành trình của mình. Được thiết kế cho 5 năm nhưng đã hoạt động gần 50 năm, chúng tồn tại nhờ kỹ thuật và nỗ lực không ngừng. Trong vài năm tới, năng lượng sẽ cạn kiệt, các thiết bị cuối cùng sẽ tắt và tín hiệu sẽ biến mất, có thể vào khoảng 2028 hoặc 2030. Nhưng ngay cả khi mất liên lạc, chúng vẫn tiếp tục bay với tốc độ 17 km mỗi giây, mang theo âm thanh, hình ảnh và lời chào của nhân loại, trôi dạt trong không gian liên sao như một bản ghi vĩnh viễn về sự tồn tại của con người.

Để xem các tin bài khác về “Tàu vũ trụ”, hãy nhấn vào đây.

 

Nguồn: AstroKobi