5 phát hiện quan trọng của Trạm Vũ trụ Quốc tế ISS trong 15 năm hoạt động

Trạm Vũ trụ Quốc tế (trạm ISS) là một trạm không gian có người ở liên tục lâu nhất – năm nay là dịp kỷ niệm 15 năm hoạt động của cơ sở ngoài không gian này. Khi trạm ISS quay quanh Trái Đất, về cơ bản nó ở trong trạng thái rơi tự do, trung hoà trọng lực của Trái Đất và cung cấp một cơ sở nghiên cứu khoa học lý tưởng trong không gian.

Công cuộc nghiên cứu khoa học trên trạm ISS là có tính chất liên ngành, bao gồm các lĩnh vực đa dạng như vi sinh vật học, khoa học vũ trụ, vật lý cơ bản, cơ thể người, thiên văn học, khí tượng học và quan trắc Trái Đất… Tuy nhiên hãy gác điều đó sang một bên để điểm lại một số phát hiện lớn nhất của cơ sở thiên văn này trong vòng 15 năm hoạt động vừa qua.

1. Sự mong manh của cơ thể người

Những tác động của môi trường vũ trụ lên cơ thể người trong các chuyến du hành dài ngày ngoài không gian là một câu hỏi rất đáng quan tâm nếu chúng ta muốn du hành ra ngoài phạm vi Trái đất vào một ngày nào đó. Lấy ví dụ, một chuyến du hành có người lái đến Sao Hỏa có thể mất một năm, và mất thêm một năm nữa để trở về.

Phi hành gia Frank De Winne. (Ảnh: NASA/wikimedia)

Kết quả nghiên cứu trong lĩnh vực vi trọng lực trên trạm ISS đã cho thấy cơ thể người sẽ hao hụt một khối lượng đáng kể xương và cơ bắp trong một chuyến du hành như vậy. Công nghệ giảm nhẹ (mitigation technology), sử dụng các thiết bị thể dục đề kháng, đã cho thấy có cách để hạn chế đáng kể tình trạng hao hụt xương và cơ. Kết hợp với các nghiên cứu khác về chế độ dinh dưỡng và việc sử dụng thuốc phù hợp, những nghiên cứu này có thể mang đến những cải thiện trong việc điều trị loãng xương, một chứng bệnh đang tác động đến hàng triệu người trên toàn thế giới.

2. Ô nhiễm liên hành tinh

Một trong những mục tiêu dài hạn của nhiều cơ quan hàng không vũ trụ là đưa con người lên Sao Hỏa. Hành tinh đỏ được đặc biệt quan tâm vì nó là một trong những điểm đến dễ tiếp cận nhất, mà ở đó sự sống ngoài Trái đất có thể đã từng tồn tại trong quá khứ cũng như hiện tại. Do đó, chúng ta tuyệt đối không được vô ý làm ô nhiễm Sao Hỏa bằng các sinh vật trên Trái Đất. Tương tự, chúng ta cũng phải cẩn thận không làm ô nhiễm ngược trở lại Trái Đất bằng bất kỳ dạng sống tiềm năng nào trên Sao Hỏa khi mang các mẫu vật thu thập được trở về.

Kẻ cứng đầu: Khuẩn hình que Bacillus subtilis. (Ảnh: Allonweiner/Wikimedia)

Một số bào tử vi khuẩn khỏe mạnh nhất định, như khuẩn hình que (Bacillus subtilis) trong hình trên, đã cho thấy một tỷ lệ sống sót cao khi được cho tiếp xúc với không gian vũ trụ trên trạm ISS, nhưng được che chắn khỏi các bức xạ tia cực tím của Mặt Trời. Môi trường chân không và các mức nhiệt cực đại là chưa đủ để có thể tiêu diệt chúng. Những vi khuẩn đáng kinh ngạc này có thể sống sót sau một chuyến du hành liên hành tinh đến Sao Hỏa và sinh tồn ở đó, dưới một lớp đất mỏng, nếu chúng vô tình được một con tàu vũ trụ thả xuống đây.

Phát hiện này có những triển vọng rất lớn; nếu các vi sinh vật, hoặc ADN của chúng, có thể sống sót sau một chuyến du hành liên hành tinh, cho dù thông qua các phương thức tự nhiên, như vậy vẫn có khả năng sự sống trên Trái Đất có thể đã bắt nguồn từ Sao Hỏa, hoặc những nơi khác trong vũ trụ.

3. Phát triển các tinh thể làm thuốc chữa bệnh

Để phát triển các loại thuốc có hiệu quả cao, một thách thức chính là phải am hiểu về hình dạng của các phân tử protein bên trong cơ thể người. Protein góp mặt trong một lượng lớn các chức năng sinh học, bao gồm sao chép ADN và tiêu hóa—và bộ môn tinh thể học protein là công cụ cần thiết để tìm hiểu cấu trúc của protein. Sự phát triển của tinh thể bên trong một chất lỏng trên Trái Đất ít nhiều sẽ bị ức chế bởi sự đối lưu do trọng lực và sự lắng đọng của các hạt phần tử dày đặc hơn tại phần đáy của ống đựng chất lỏng.

Các tinh thể trong một môi trường vi trọng lực có thể sinh trưởng đến những kích cỡ lớn hơn rất nhiều so với trên Trái Đất, khiến việc phân tích vi cấu trúc của chúng trở nên dễ dàng hơn. Các tinh thể protein được nuôi cấy trên trạm ISS hiện đang được sử dụng trong việc phát triển các loại thuốc mới để điều trị các loại bệnh như bệnh teo cơ và ung thư.

4. Các tia vũ trụ và vật chất tối

Tràn ngập trong không gian vũ trụ là một dòng chuyển động không ngừng của các hạt tích năng lượng được gọi là các tia vũ trụ. Khi các tia vũ trụ tiếp xúc với bầu khí quyển Trái đất, chúng sẽ tan rã, tạo ra một trận mưa các hạt thứ cấp vốn có thể được phát hiện tại mặt đất. Một số tia vũ trụ có thể bắt nguồn từ những vụ nổ, ví như vụ nổ siêu tân tinh (supernova), hay trong một phạm vi gần Trái Đất hơn; các cơn bão từ trên Mặt Trời. Tuy nhiên, trong rất nhiều trường hợp, nguồn gốc các tia vũ trụ này vẫn chưa được biết rõ.

Một vụ va chạm mạnh mẽ giữa các cụm thiên hà dưới ống kính của Kính thiên văn vũ trụ Hubble và Đài quan sát Chandra X-ray Observatory của NASA. Vụ va chạm giữa các cụm thiên hà này cung cấp các bằng chứng rõ rệt cho sự tồn tại của vật chất tối và những hiểu biết sâu sắc về các tính chất của nó. (Ảnh: NASA)

Để hiểu rõ hơn về những hạt phần tử bí ẩn này, chúng ta cần phải tóm giữ được chúng trước khi chúng tiếp xúc với bầu khí quyển. Đặt trên trạm ISS là máy đo phổ từ Alpha, máy dò hạt nhạy nhất từng được phóng lên không gian. Thiết bị này sẽ thu nhận các tia vũ trụ và đo lường cả mức năng lượng lẫn hướng chuyển động đến của chúng.

Năm 2013, các kết quả nghiên cứu ban đầu đã cho thấy các hạt electron của tia vũ trụ và các hạt phản vật chất của chúng – positrons, đã phát xuất từ mọi hướng trong vũ trụ, chứ không phải chỉ từ các địa điểm nhất định.

Khoảng một phần tư khối năng (khối lượng – năng lượng) của toàn vũ trụ được cho là cấu thành từ vật chất tối, một loại vật chất chưa xác định được thành phần, nhưng có thể chính là nguồn gốc tiềm năng của các tia vũ trụ. Sự hiện hữu trên lý thuyết của vật chất tối sẽ tạo ra một quầng hào quang vật chất bao xung quanh Dải Ngân Hà (và các thiên hà khác), và giả thuyết này được củng cố bởi bản chất đẳng hướng của các hạt electron và positron của các tia vũ trụ đã được máy dò AMS phát hiện. Về cơ bản những hạt này tiếp cận chúng ta từ tất cả mọi hướng trong vũ trụ.

Vật chất tối chưa từng được phát hiện một cách trực tiếp và bản chất thực sự của nó vẫn là một trong những câu hỏi lớn nhất còn bỏ ngỏ của ngành vật lý học thiên thể hiện đại.

5. Sự đốt cháy hiệu quả trên trạm ISS

Chủ động nhóm lửa trên một trạm không gian trong quỹ đạo thoạt nhìn không có vẻ là một ý kiến hay. Tuy nhiên, tính chất vật lý của ngọn lửa trong trạng thái vi trọng lực hóa ra lại rất thú vị. Nghiên cứu dập tắt lửa là một hệ thống được thiết kế vô cùng cẩn thận, theo đó những giọt nhiên liệu nhỏ xíu, vốn hình thành nên những quả cầu trong môi trường vi trọng lực, đã được châm lửa.

Hai ngọn nến đang cháy trong môi trường không trọng lượng (trái) so với một cây nến bình thường được đốt cháy trên Trái Đất. (Ảnh: NASA)

Ngọn lửa trên Trái đất có hình dạng như vậy bởi vì sự đối lưu trên dưới trong không khí gây ra bởi trọng lực sẽ khiến hỗn hợp nhiên liệu và khí đốt đang cháy bốc lên trên. Trong trạng thái vi trọng lực sẽ không tồn tại hiện tượng đối lưu trên dưới, nên một ngọn lửa sẽ có hình cầu khuếch tán xung quanh nguồn đốt. Ngoài ra, màu vàng của ngọn lửa này là do sự đốt cháy các hạt bồ hóng nhỏ. Các dạng bồ hóng hình thành từ quá trình đốt cháy nhiên liệu không hoàn thiện là một chất gây ô nhiễm.

Trong môi trường vi trọng lực, nhiên liệu sẽ được đốt cháy trọn vẹn hơn và do đó có hiệu suất cao hơn. Một ngọn nến khi đốt sẽ có màu vàng trên Trái Đất, nhưng lại có màu xanh dương trong môi trường vi trọng lực, đồng thời sẽ sản sinh rất ít khói. Loại nghiên cứu này tạo điều kiện cho các nghiên cứu về quá trình hình thành bồ hóng, vốn có ảnh hưởng tiêu cực đến môi trường và sức khỏe con người, và về cách thức những giọt nhiên liệu trong một động cơ đốt chuyển đổi từ thể lỏng sang thể khí trong quá trình đốt. Kết quả từ nghiên cứu này có thể dẫn đến những kiểu mẫu thiết kế hiệu quả hơn cho các loại động cơ đốt trên Trái Đất.

Tác giả: Gareth Dorrian, Đại học Lancaster.
Đăng tải với sự cho phép. Xem bài gốc ở đây.
Hoàng Sâm biên dịch