Hội chứng Kessler là hiện tượng mà trong đó, lượng rác trên quỹ đạo quanh Trái Đất đạt đến điểm ngày càng tạo ra nhiều mảnh vỡ không gian, gây ra các vấn đề lớn cho vệ tinh, phi hành gia và các sứ mệnh được lập kế hoạch từ trước. Hãy xem xét tình huống này: Việc phá hủy một vệ tinh do thám chết sẽ tạo thành rất nhiều mảnh vỡ trên quỹ đạo Trái Đất, tạo nên sự tàn phá ngày càng gia tăng khi nó bay quanh hành tinh của chúng ta. Chúng phá hủy một số vệ tinh liên lạc, điều này tạo ra nhiều mảnh vỡ hơn sau mỗi vụ va chạm. Nó sẽ phá hủy Kính viễn vọng Không gian Hubble mang tính biểu tượng và tàu con thoi của NASA, giết chết một số thành viên phi hành đoàn trên đó. Sau đó, nó đưa Trạm Vũ trụ Quốc tế (ISS) vào tầm ngắm, phá hủy phòng thí nghiệm quỹ đạo trị giá 100 tỷ đô la bằng một loạt các mảnh vỡ bắn phá liên tục ở tốc độ cao. Cảnh tượng hư cấu này xuất hiện trong bộ phim khoa học viễn tưởng “Gravity”. Nhưng nhiều nhà điều hành vệ tinh, nhà lập kế hoạch sứ mệnh và những người ủng hộ thám hiểm không gian lo ngại rằng, điều này có thể là một góc nhìn đen tối vào tương lai do hội chứng Kessler
1. Hội chứng Kessler: Dự đoán của một nhà khoa học về rác vũ trụ
Hội chứng Kessler được đặt theo tên của nhà khoa học NASA Donald Kessler, người đã trình bày ý tửng cơ bản trong một bài báo quan trọng vào năm 1978. Trong nghiên cứu có tựa đề “Tần suất va chạm của vệ tinh nhân tạo: Sự hình thành vành đai mảnh vỡ“, Kessler và đồng tác giả Burton Cour-Palais lưu ý rằng, khả năng va chạm vệ tinh tăng lên khi càng có nhiều tàu vũ trụ được đưa lên quỹ đạo. Và mỗi vụ va chạm như vậy sẽ có tác động lớn đến môi trường quỹ đạo xung quanh. “Các vụ va chạm vệ tinh sẽ tạo ra các mảnh vỡ quay quanh quỹ đạo, mỗi mảnh vỡ làm tăng khả năng xảy ra các vụ va chạm tiếp theo, dẫn đến sự phát triển của một vành đai mảnh vỡ xung quanh Trái Đất. Dòng mảnh vỡ trong vành đai quanh Trái đất như vậy có thể vượt quá dòng thiên thạch tự nhiên, ảnh hưởng đến các thiết kế tàu vũ trụ trong tương lai” Bộ đôi tác giả cho biết
Hội chứng Kessler mô tả và cảnh báo về một loạt mảnh vỡ quỹ đạo có khả năng cản trở tham vọng và hoạt động không gian của nhân loại trong tương lai. Bài báo gốc dự đoán rằng, va chạm vệ tinh sẽ trở thành nguồn rác vũ trụ vào năm 2000, nếu không sớm hơn, trừ khi nhân loại thay đổi cách đưa các tải trọng lên quỹ đạo. Nhưng mốc thời gian không phải là yếu tố cốt lõi. Kessler viết trong một bài báo năm 2009 để làm rõ định nghĩa về Hội chứng Kessler và thảo luận những hàm ý về nó: “Nó không bao giờ có ý định ám chỉ rằng sự mở rộng sẽ xảy ra trong khoảng thời gian ngắn như vài ngày hay vài tháng. Nó cũng không phải là dự đoán rằng môi trường hiện tại đang ở trên ngưỡng quan trọng nào đó. Hội chứng Kessler có nghĩa là mô tả hiện tượng va chạm ngẫu nhiên giữa các vật thể đủ lớn để lập danh mục các mối nguy hiểm cho tàu vũ trụ từ các mảnh vỡ lớn hơn các thiên thạch tự nhiên”. Ông cho biết thêm: “Ngoài ra, vì tần suất va chạm ngẫu nhiên không tuyến tính với tốc độ tích tụ mảnh vỡ, nên hiện tượng này cuối cùng sẽ trở thành nguồn mảnh vỡ dài hạn, trừ khi tốc độ tích tụ của các vật thể lớn hơn, không hoạt động (ví dụ tải trọng không hoạt động và thân tên lửa tầng trên) trên quỹ đạo Trái Đất giảm đáng kể”
Kessler cũng không phải là người đặt tên cho kịch bản này. Trong bài báo vào năm 2009, ông giải thích rằng, “Hội chứng Kessler” bắt nguồn từ John Gabbard, một nhà khoa học thuộc Bộ Tư lệnh Phòng thủ Hàng không vũ trụ Bắc Mỹ (NORAD), người đã lưu hồ sơ không chính thức về các vụ vỡ vệ tinh lớn trên quỹ đạo. Gabbard đã sử dụng thuật ngữ này khi nói chuyện với một phóng viên ngay sau khi nghiên cứu năm 1978 được công bố. Hội chứng Kessler sau đó đi vào nhận thức của công chúng, “trở thành một phần của cốt truyện trong một tác phẩm khoa học viễn tưởng và là bản tóm tắt mô tả các vấn đề về mảnh vỡ quỹ đạo”.
2. Điểm bùng phát của Hội chứng Kessler: Tình hình hiện tại tệ đến mức nào?
Quỹ đạo Trái Đất đang ngày càng trở nên đông đúc hơn qua từng năm.
Theo Cơ quan Vũ trụ Châu Âu (ESA), nhân loại đã phóng khoảng 12170 vệ tinh kể từ khi kỷ nguyên vũ trụ bắt đầu vào năm 1957 và hiện nay, khoảng 7630 vệ tinh vẫn đang ở trên quỹ đạo, trong số đó chỉ còn khoảng 4700 vệ tinh vẫn hoạt động. Điều này có nghĩa là gần 3000 vệ tinh không còn hoạt động đang bay quanh Trái Đất với tốc độ khủng khiếp, cùng với các mảnh vỡ lớn, nguy hiểm khác như thân tên lửa tầng trên. Ví dụ, vận tốc quỹ đạo ở độ cao 400 km, độ cao mà ISS hoạt động là khoảng 27500 km/h. Ở tốc độ như vậy, ngay cả một mảnh vỡ nhỏ cũng có thể gây thiệt hại nghiêm trọng cho tàu vũ trụ – và có rất nhiều mảnh vỡ như vậy đang bay quanh hành tinh của chúng ta. ESA ước tính rằng, quỹ đạo Trái Đất chứa ít nhất 36500 vật thể rộng hơn 10 cm, 1 triệu vật thể có đường kính từ 1 đến 10 cm và khoảng 330 triệu vật thể nhỏ hơn 1 cm nhưng lớn hơn 1 mm. Những vậy thể này không chỉ là mối đe dọa mang tính giả định. Ví dụ, từ năm 1999 đến tháng 5 năm 2021, ISS đã thực hiện 29 lần tránh mảnh vỡ, trong đó có ba lần chỉ riêng trong năm 2020, theo các quan chức của NASA. Và con số đó vẫn đang tiếp tục tăng lên, ví dụ, trạm đã tiếp tục thực hiện điều này vào tháng 11 năm 2021.
Nhiều mảnh vỡ nhỏ được tạo ra do vụ nổ của các thân tên lửa đã qua sử dụng trên quỹ đạo, nhưng một số khác được đưa vào quỹ đạo một cách có chủ đích. Ví dụ, vào tháng 1 năm 2007, Trung Quốc đã cố tình phá hủy một trong những vệ tinh thời tiết đã ngừng hoạt động của mình trong một cuộc thử nghiệm công nghệ chống vệ tinh bị chỉ trích rất nhiều. Điều này tạo ra hơn 3000 mảnh vỡ được theo dõi và có lẽ 32000 vật thể khác quá nhỏ để có thể được phát hiện. Các chuyên gia cho biết, phần lớn rác đó vẫn còn trên quỹ đạo cho đến nay
Các tàu vũ trụ cũng đã va chạm với nhau trên quỹ đạo. Sự cố nổi tiếng nhất xảy ra vào tháng 2 năm 2009 khi vệ tinh Kosmos 2251 đã ngừng hoạt động của Nga đâm vào tàu liên lạc đang hoạt động Iridium 33 tạo ra gần 2000 mảnh vỡ lớn hơn một quả bóng mềm. Vụ tai nạn vào năm 2009 có thể là bằng chứng cho thấy Hội chứng Kessler đã xảy ra, mặc dù một viễn cảnh tồi tệ như trong “Gravity” vẫn còn rất xa.
Kessler đã chia sẻ với Tạp chí Space Safety vào năm 2012 rằng: “Quá trình liên hoàn có thể được hiểu chính xác hơn là sự liên tục và đã thực sự bắt đầu, trong đó, mỗi vụ va chạm hoặc vụ nổ trên quỹ đạo dần dần dẫn đến sự gia tăng tần suất của các vụ va chạm trong tương lai”
3. Chúng ta có thể làm gì để tránh tác động từ Hội chứng Kessler?
Cộng đồng không gian đang ngày càng coi trọng mối đe dọa từ mảnh vỡ quỹ đạo, và không chỉ vì những cú sốc do thử nghiệm ASAT của Trung Quốc và vụ va chạm Iridium – Kosmos gây ra. Những “siêu chòm sao vệ tinh” đang được triển khai khiến việc quản lý “giao thông” trong không gian và giảm thiểu rác vũ trụ trở thành một vấn đề cấp bách hơn bao giờ hết. Ví dụ, SpaceX đã phóng hơn 1700 vệ tinh trong chòm sao băng thông rộng Starlink của mình, thứ mà khi hoàn thành có thể bao gồm hơn 40000 vệ tinh. OneWeb đã phóng hơn một nửa số vệ tinh cho chòm sao 648 thành viên theo kế hoạch của mình. Amazon đặt mục tiêu lắp ráp mạng internet vệ tinh của riêng mình, bao gồm 3200 vệ tinh trên quỹ đạo. Và vào tháng 11 năm 2021, Astra của Bay Area đã nộp đơn lên Ủy ban Truyền thông Liên bang Hoa Kỳ để xin cấp phép cho chòm sao vệ tinh với 13600 thành viên của riêng mình
Ngoài ra, chi phí phóng và thiết kế các vệ tinh tiếp tục giảm, điều này cho phép ngày càng nhiều người đưa vệ tinh lên quỹ đạo và vận hành chúng – bao gồm cả những người có rất ít kinh nghiệm trong lĩnh vực này. Việc mở ra ranh giới cuối cùng này nhìn chung là một điều tốt, hầu hết các chuyên gia cho biết, nhưng nó càng làm nổi bật nhu cầu phải có sự cân nhắc trước và hành động có trách nhiệm khi nói đến hoạt động của vệ tinh trong không gian. Vào năm 2019, Liên minh An toàn Không gian (SSC) đã đưa ra một bộ hướng dẫn tự nguyện được đề xuất nhằm ngăn chặn Hội chứng Kessler và rác vũ trụ nói chung trong những năm tới
Một khuyến nghị là tất cả các vệ tinh hoạt động ở độ cao trên 400 km phải được trang bị hệ thống đẩy cho phép di chuyển tránh xa các vụ va chạm có thể xảy ra. Theo SSC, việc vạch ra ranh giới ở đó có ý nghĩa vì nhiều lý do: Đó là độ cao mà ISS hoạt động, và các vệ tinh bay vòng dưới ranh giới này có xu hướng chịu nhiều lực cản khiến chúng rơi khỏi quỹ đạo tương đối sớm sau khi vòng đời hoạt động kết thúc. SSC cũng khuyến nghị các nhà thiết kế vệ tinh cân nhắc xây dựng hệ thống mã hóa vào hệ thống chỉ huy của tàu vũ trụ, do đó, tin tặc khó có thể chiếm quyền kiểm soát khi có vấn đề an ninh xảy ra. Và các nhà điều hành kiểm soát vệ tinh ở quỹ đạo thấp quanh Trái Đất nên đưa vào hợp đồng phóng các yêu cầu về tầng trên của tên lửa phải được loại bỏ trong bầu khí quyển ngay sau khi cất cảnh
