Artemis II: Đối mặt với mối nguy vô hình trên hành trình trở lại Mặt Trăng

Dữ liệu quan trọng nhất từ sứ mệnh Artemis II có người lái đầu tiên của NASA có thể không phải là những bức ảnh chụp Trái Đất, mà là các phép đo bức xạ sẽ định hình cách con người làm việc và sinh tồn khi vươn xa khỏi lớp từ trường bảo vệ của Trái Đất.

Khi NASA phóng tàu Artemis II vào ngày 1 tháng 4 năm 2026, đưa các phi hành gia Reid Wiseman, Victor Glover, Christina Koch và Jeremy Hansen thực hiện chuyến bay ngang qua Mặt Trăng trong 10 ngày, đây là lần đầu tiên con người vượt qua quỹ đạo Trái Đất thấp (LEO) và quay trở lại môi trường bức xạ không gian sâu kể từ chương trình Apollo.

Chụp từ tàu Orion, Trái Đất tỏa sáng dưới ánh trăng với cực quang mờ ảo ở hai cực.

Môi trường bức xạ phức tạp

Bức xạ là một trong những câu hỏi khoa học và vận hành cốt lõi của sứ mệnh. Ngoài bốn phi hành gia, tàu còn mang theo các màn hình trong buồng lái, máy đo liều lượng đeo người, máy detect ion nặng nâng cấp từ Đức, các chip mô phỏng cơ quan, và các mẫu nước bọt, máu để nghiên cứu.

Điều đầu tiên cần hiểu là "mức bức xạ" không phải là một con số đơn lẻ. Ngoài quỹ đạo Trái Đất, phi hành gia phải đối mặt với ba mối nguy chồng chéo:

• Các hạt bị mắc kẹt trong vành đai Van Allen.
• Các sự kiện hạt mặt trời từ Mặt Trời.
• Tia vũ trụ thiên hà từ bên ngoài hệ mặt trời.

Vành đai Van Allen rất mạnh nhưng ngắn ngủi vì tàu vũ trụ đi qua rất nhanh. Các sự kiện hạt mặt trời thì gián đoạn và cần xử lý khẩn cấp; chúng có thể làm tăng liều lượng bức xạ mạnh mẽ trong vài giờ. Trong khi đó, tia vũ trụ thiên hà là nền tảng mãn tính: một trường bức xạ liều lượng thấp gồm các hạt năng lượng rất cao, chủ yếu là proton nhưng cũng có ion nặng, luôn hiện diện và cực kỳ khó chắn chắn.

Phi hành gia Christina Koch làm việc bên trong buồng lái Orion.

Khoa học về chắn chắn và hình học

Khoa học bức xạ trong không gian rất khó vì không có yếu tố nào có thể quy về một con số. Liều lượng hấp thụ thô chỉ là bước khởi đầu. Đơn vị Gray cho bạn biết bao nhiêu năng lượng được tích tụ, nhưng không cho biết rắc rối sinh học mà năng lượng đó gây ra. Tỷ lệ liều lượng, loại hạt, hướng và lớp chắn đều quan trọng.

Artemis II đang bay trong giai đoạn hậu kỳ của chu kỳ Mặt Trời 25, tạo ra một nghịch lý hữu ích: nền tảng tia vũ trụ thiên hà mãn tính thấp hơn một chút xung quanh cực đại Mặt Trời, nhưng khả năng xảy ra bão mặt trời gây gián đoạn lại cao hơn.

Lớp chắn thêm một tầng phức tạp khác. Đối với các sự kiện proton mặt trời, thêm vật liệu giúp ích đáng kể. Nhưng đối với tia vũ trụ thiên hà, lợi ích trở nên phản trực giác: khi các ion năng lượng cực cao va vào tường tàu vũ trụ hoặc cơ thể con người, chúng có thể vỡ vụn và tạo ra bức xạ thứ cấp, bao gồm cả neutron.

Artemis I đã chứng minh tại sao những sắc thái này lại quan trọng. Sứ mệnh không người lái đã phát hiện ra rằng lớp chắn của Orion hiệu quả cho chuyến bay Mặt Trăng, nhưng mức độ phơi nhiễm thay đổi tùy theo vị trí trong buồng lái và hướng của tàu vũ trụ. Trong một lần đi qua vành đai bức xạ, việc thay đổi hướng trong quá trình đốt động cơ đã làm giảm mức bức xạ được đo gần một nửa.

Công nghệ đo lường và thí nghiệm sinh học

Việc bảo vệ khỏi bức xạ trong không gian sâu một phần là vấn đề vật liệu, nhưng cũng là vấn đề hình học và vận hành. Artemis II là sứ mệnh đầu tiên lập bản đồ hình học này với phi hành đoàn trên tàu. Orion mang theo sáu thiết bị đánh giá bức xạ điện tử lai (HERA), máy đo liều lượng chủ động đeo bởi phi hành gia, và các máy detect M-42 EXT cập nhật từ Trung tâm Hàng không Vũ trụ Đức với độ phân giải năng lượng tốt hơn nhiều so với phiên bản Artemis I.

Nếu Mặt Trời tạo ra một sự kiện hạt mặt trời đáng kể trong sứ mệnh, chúng sẽ giúp Trung tâm Kiểm soát Sứ mệnh quyết định khi nào phi hành đoàn nên trú ẩn và nơi nào trong Orion là an toàn nhất. Trong thực tế, điều đó có thể có nghĩa là các quyết định về việc thay đổi hoạt động, cách sử dụng khoang chứa và nước làm nơi trú ẩn bão tạm thời trong tàu.

Chip mô phỏng cơ quan (Organ-on-a-chip) được sử dụng trong thí nghiệm AVATAR.

Đối với các hệ thống sống, Artemis II vượt ra ngoài việc đếm hạt. Thí nghiệm AVATAR đang mang các chip mô phỏng tủy xương (như hình trên) được làm từ chính tế bào của từng phi hành gia bên trong một tải trọng tự chứa. Tủy xương là mục tiêu hợp lý vì nó đóng vai trò trung tâm trong chức năng miễn dịch và đặc biệt nhạy cảm với bức xạ.

NASA cũng đang thu thập các dấu ấn sinh học miễn dịch thông qua lấy mẫu nước bọt và máu, trong khi ARCHeR và các biện pháp tiêu chuẩn theo dõi giấc ngủ, căng thẳng, nhận thức, hiệu suất và các phản ứng sinh lý khác. Một trong những câu hỏi thú vị nhất là liệu cùng một trường liều lượng vật lý có dịch thành cùng một thương tổn sinh học ở những người khác nhau hay không. Bức xạ không bao giờ tác động đơn độc. Trong một sứ mệnh thực tế, nó được xếp chồng với trọng lực vi mô, sự giam cầm, giấc ngủ thay đổi, khối lượng công việc, nhiệt độ, carbon dioxide và khoảng cách từ Trái Đất.