Đã từng có một viễn cảnh về các thành phố trong không gian – những khu định cư hình trụ khổng lồ, tự cung tự cấp và là nơi sinh sống của hàng triệu người quan sát Trái Đất từ vị trí cao trên quỹ đạo.
Vào những năm 1970, một nhà khoa học thật sự tin rằng đến nay giấc mơ đó lẽ ra đã trở thành hiện thực. Người đó là Giáo sư Vật lý Gerard K. O’Neill của Đại học Princeton. Trong vài năm, ý tưởng về cuộc sống trong không gian đã khiến ông trở nên nổi tiếng, xuất hiện trên truyền hình, xuất bản sách bán chạy và được mời trình bày trước Quốc hội Hoa Kỳ về tầm nhìn tương lai của mình.
Tuy nhiên, thực tế năm 2025 lại khác xa: rất ít người có cơ hội sống trong không gian ngoài 290 phi hành gia từng làm việc trên Trạm Vũ trụ Quốc tế và một số ít khác trên các trạm như Mir của Nga hay Thiên Cung của Trung Quốc.
Tầm nhìn của O’Neill được thể hiện rõ nhất trong cuốn sách The High Frontier xuất bản năm 1976. Trong đó, ông mô tả rằng vào thời điểm sớm nhất là năm 1990 và muộn nhất là năm 2005, con người có thể xây dựng các thành phố khổng lồ trong không gian tại điểm Lagrange L5, nơi vị trí cân bằng hấp dẫn giữa Trái Đất và Mặt Trăng. Mỗi khu cư trú có thể là nơi sinh sống của hàng triệu người. Ý tưởng này trở nên phổ biến đến mức một câu lạc bộ người hâm mộ mang tên L5 Society đã ra đời, với khẩu hiệu: “L5 vào năm 1995!”
Một trong những yếu tố then chốt giúp ý tưởng này khả thi là việc sử dụng chuyển động quay để tạo ra lực ly tâm, mô phỏng trọng lực trên bề mặt trong của hình trụ. O’Neill hình dung nhiều loại khu cư trú không gian có hình cầu hoặc hình trụ (và cả biến thể hình vòng được gọi là Stanford Torus, tương tự các trạm không gian hình bánh xe trong 2001: A Space Odyssey). Mô hình lớn nhất của ông, Island Three, dự kiến có đường kính 6,4 km và chiều dài 32 km. Phía trong bề mặt của nó sẽ có khoảng 1.294 km² không gian sinh sống, bao gồm nhà ở, khu giải trí, sông và công viên. Người hâm mộ khoa học viễn tưởng có thể nhận ra thiết kế này tương tự trạm không gian Babylon 5, vốn được lấy cảm hứng từ O’Neill và cũng sử dụng chuyển động quay để mô phỏng trọng lực.
Cuộc sống trong các khu định cư không gian này sẽ rất sạch sẽ. Công nghiệp và nông nghiệp sẽ được bố trí ở các hình trụ nhỏ riêng biệt gần khu dân cư chính. Việc di chuyển giữa các khu chỉ mất vài phút bằng các “commutersphere” hay khoang vận chuyển được gia tốc bằng động cơ điện chạy dọc theo cáp, với chi phí mà O’Neill ước tính chỉ khoảng 50 xu mỗi hành khách (theo giá thập niên 1970).
Tất cả nghe có vẻ vĩ đại, nhưng sau nhiều thập kỷ thất vọng và mất đi khát vọng chinh phục không gian thì ý tưởng ấy thật sự quá xa vời. O’Neill không phải là kẻ mộng tưởng, nhưng ông sống trong một thời đại khác: thời kỳ mà tiềm năng du hành vũ trụ được khơi dậy mạnh mẽ sau chương trình Apollo.
Vì O’Neill là người hâm mộ và yêu thích khoa học viễn tưởng nên có lẽ khái niệm trạm không gian đã quen thuộc với ông từ lâu. Tuy nhiên, nguồn gốc thực sự của ý tưởng “biên giới cao” bắt đầu khi ông được giao nhiệm vụ giảng dạy môn vật lý nhập môn tại Đại học Princeton năm 1969. Dù chương trình Apollo đạt nhiều thành tựu và đang ở thời kỳ huy hoàng, nhưng sự thất vọng ngày càng tăng do Chiến tranh Việt Nam khiến nhiều sinh viên hoài nghi về việc theo đuổi sự nghiệp khoa học và công nghệ, lo sợ bị cuốn vào guồng máy công nghiệp – quân sự. Cùng lúc đó, nhận thức về các vấn đề môi trường cũng ngày càng gia tăng, được thúc đẩy bởi những tác phẩm như Silent Spring của Rachel Carson.
Nhận thấy việc truyền cảm hứng cho sinh viên là một thách thức lớn, O’Neill bắt đầu xây dựng các bài tập kỹ thuật có lồng ghép yếu tố kinh tế và xã hội để sinh viên thảo luận và tìm hướng giải quyết. Câu hỏi đầu tiên ông đặt ra là: Liệu bề mặt một hành tinh có phải là nơi thích hợp nhất cho một xã hội công nghệ sinh sống hay không?
Rõ ràng O’Neill cho rằng câu trả lời là không, và điều đó không chỉ xuất phát từ mơ tưởng khoa học viễn tưởng. Những ý tưởng trong The High Frontier của ông phần nào là phản ứng trước báo cáo gây tranh cãi năm 1972 của Câu lạc bộ Rome, Limits to Growth, mô tả một tương lai ảm đạm với bùng nổ dân số, ô nhiễm môi trường và cạn kiệt tài nguyên. Báo cáo kết luận rằng sức chứa của Trái Đất đang bị vượt quá, và có lẽ chính các tác giả của nó cũng sẽ phải kinh ngạc nếu thấy tình hình Trái Đất ngày nay.
Tuy nhiên, báo cáo này không phải không có những người phản đối, họ cho rằng nó không tính đến vai trò của công nghệ trong việc giảm bớt một phần các vấn đề được dự báo. O’Neill đặc biệt lập luận rằng, nếu sức chứa của Trái Đất đang bị vượt quá, vậy tại sao không mở rộng ra ngoài Trái Đất? Không gian mang lại nguồn tài nguyên dồi dào, năng lượng Mặt Trời, không gian sinh sống rộng lớn và cả nơi đặt các ngành công nghiệp gây ô nhiễm mà không làm tổn hại đến môi trường Trái Đất.
O’Neill cho rằng vào thập niên 1970, con người đã có, hoặc gần như có, toàn bộ công nghệ cần thiết để xây dựng các khu cư trú trong không gian. Trong The High Frontier, ông viết rằng “Island Three đủ hiệu quả trong việc sử dụng vật liệu đến mức có thể được xây dựng ngay trong những năm đầu của thế kỷ 21.”
Ý tưởng
Phần lớn nguyên liệu thô sẽ được khai thác từ Mặt Trăng và các tiểu hành tinh gần Trái Đất, sau đó được vận chuyển đến điểm L5 để lắp ráp bằng một công nghệ gọi là mass driver.
Mass driver là một dạng “ná điện từ”, sử dụng năng lượng Mặt Trời để cấp điện cho các siêu dẫn dọc theo đường ray, tạo ra từ trường gia tốc vật liệu lên đến vận tốc thoát khỏi bề mặt Mặt Trăng hoặc tiểu hành tinh. Vì không cần nhiên liệu đốt cháy, việc phóng hàng hóa có thể diễn ra liên tục như một dây chuyền. Công nghệ này cũng từng xuất hiện trong Babylon 5, nhưng ở đó nó được sử dụng như một loại vũ khí để ném tiểu hành tinh này vào hành tinh khác.
Sống trong không gian không chỉ đơn giản là trôi nổi trong những khoang kim loại kín. Như đã nói, việc quay để mô phỏng trọng lực là yếu tố then chốt. Các thí nghiệm ly tâm trên Trái Đất cho thấy hầu hết con người có thể chịu được tốc độ quay từ 1-3 vòng mỗi phút nhưng trên 4 vòng/phút sẽ gây rối loạn tiền đình, chóng mặt và buồn nôn. Do đó, tốc độ quay ảnh hưởng trực tiếp đến kích thước của khu cư trú nếu mục tiêu là mô phỏng trọng lực như trên Trái Đất.
Để đảm bảo ổn định, khu cư trú cần có hai hình trụ quay ngược chiều, được nối liền ở hai đầu. Ngoài ra chu kỳ ngày – đêm cũng là yếu tố thiết yếu bởi sinh học Trái Đất đã tiến hóa suốt hơn 4 tỷ năm quanh chu kỳ này., việc loại bỏ nó sẽ gây hại lâu dài cho sự sống. O’Neill hình dung rằng mỗi hình trụ có thể chia thành sáu phần: ba khu vực cửa sổ xen kẽ với ba thung lũng có người sinh sống, hai đầu được bịt bằng nắp hình cầu. Hệ thống gương điều chỉnh bên ngoài các cửa sổ sẽ phản chiếu ánh sáng Mặt Trời để duy trì ảo giác rằng Mặt Trời đứng yên, dù toàn bộ hình trụ vẫn đang quay.
Chu kỳ ngày – đêm và các mùa có thể được điều chỉnh bằng cách thay đổi góc của các gương so với Mặt Trời, trong khi trục dài của các hình trụ sẽ luôn hướng về phía Mặt Trời.
Lượng ánh sáng Mặt Trời là yếu tố then chốt trong việc hình thành sinh quyển cho các khu cư trú. O’Neill mong muốn các “quốc gia không gian” của mình có thể tự cung tự cấp, nhưng việc tạo ra một sinh quyển ổn định có lẽ là phần khó khăn nhất của toàn bộ dự án. Để đáp ứng nhu cầu cho hàng triệu người, không thể chỉ dựa vào thủy canh – phương pháp trồng cây không cần đất. Một sinh quyển thực thụ phụ thuộc vào tầng đất đóng vai trò như là hệ thống hỗ trợ sự sống. Tầng đất trên Trái Đất hiện nay đã được hình thành qua hàng triệu năm tiến hóa cùng sự phát triển của sự sống, từ vi sinh vật đến các loài động vật phức tạp, tất cả đều góp phần tạo nên cấu trúc của đất. Việc tái tạo quá trình đó chỉ trong vài năm, đồng thời đảm bảo các phản ứng sinh hóa hoạt động chính xác, là điều vô cùng khó khăn. Do đó, việc này đòi hỏi rất nhiều thí nghiệm thử và sai sót để tránh tạo ra những sinh quyển chết, thất bại. Điều này chắc chắn sẽ làm chậm tiến độ xây dựng cũng như đưa con người vào sinh sống trong các khu cư trú.
