Khí cầu là phòng thí nghiệm bay đầu tiên của loài người: từ năm 1804 các nhà khoa học đã lên khinh khí cầu để đo không khí trên cao, năm 1912 Victor Hess phát hiện tia vũ trụ nhờ một chuyến bay bóng, và đến nay các khí cầu khoa học khổng lồ vẫn đưa kính thiên văn, máy dò hạt lên độ cao gần 40 km với chi phí thấp hơn nhiều so với phóng vệ tinh. Chúng còn bay cả trong bầu khí quyển của sao Kim.
Những nhà khoa học đầu tiên lên trời
Chỉ hơn hai mươi năm sau chuyến bay khinh khí cầu có người đầu tiên năm 1783, giới khoa học đã thấy ở nó một công cụ đo đạc. Năm 1804, hai nhà khoa học Pháp Joseph Louis Gay-Lussac và Jean-Baptiste Biot cùng bay lên để đo từ trường, nhiệt độ và độ ẩm theo độ cao. Vài tuần sau, Gay-Lussac bay một mình lên khoảng 7.000 mét, lấy mẫu không khí ở đó mang về phân tích. Kết luận của ông: thành phần không khí trên cao về cơ bản giống dưới mặt đất. Đó là một trong những thí nghiệm khí quyển trực tiếp đầu tiên trong lịch sử.
Ở Anh, nhà khí tượng James Glaisher và phi công Henry Coxwell thực hiện hàng loạt chuyến bay đo đạc trong các năm 1862–1866. Trong một chuyến năm 1862, họ lên cao đến mức Glaisher ngất đi vì thiếu oxy, còn Coxwell, tay tê cứng vì lạnh, phải dùng răng kéo dây van để cho bóng hạ xuống. Độ cao thật của chuyến bay ấy còn bị bàn cãi vì Glaisher bất tỉnh lúc lên đỉnh, nhưng nó cho thấy rõ giới hạn sinh lý của con người: trên vài nghìn mét, không có oxy thì không sống được.
Victor Hess và tia vũ trụ
Đầu thế kỷ 20, các nhà vật lý thấy một điều khó hiểu: các bình điện nghiệm, dụng cụ đo điện tích, luôn tự mất điện chậm chậm dù được cách ly kỹ. Có một thứ bức xạ nào đó làm ion hóa không khí. Người ta tưởng nó đến từ đất đá phóng xạ, vậy thì càng lên cao càng phải yếu đi.
Nhà vật lý người Áo Victor Hess mang dụng cụ đo lên khinh khí cầu trong nhiều chuyến bay năm 1911–1912. Chuyến quan trọng nhất ngày 7 tháng 8 năm 1912 lên tới khoảng 5.300 mét. Kết quả ngược với dự đoán: lên cao khoảng một nghìn mét đầu, bức xạ giảm nhẹ, nhưng cao hơn nữa thì tăng mạnh. Hess còn bay vào ban đêm và trong một lần nhật thực một phần, thấy bức xạ không giảm, nên kết luận nó không đến từ Mặt Trời mà từ ngoài vũ trụ.
Đó là phát hiện ra tia vũ trụ. Năm 1936, Hess được trao giải Nobel Vật lý. Từ đây vật lý hạt có thêm một "máy gia tốc tự nhiên" miễn phí, và trong nhiều thập kỷ, một số hạt cơ bản được tìm ra nhờ quan sát tia vũ trụ trên núi cao và trên khí cầu.
Lên tầng bình lưu: khoang kín của Auguste Piccard
Năm 1931, nhà vật lý Thụy Sĩ Auguste Piccard, khi đó làm việc ở Bỉ, bay lên tầng bình lưu cùng trợ lý Paul Kipfer trong một quả cầu nhôm kín có điều áp, treo dưới khí cầu hydro. Họ đạt khoảng 15.800 mét, độ cao chưa ai lên tới, rồi hạ xuống một sông băng ở dãy Alps. Lần đầu tiên con người lên tầng bình lưu và trở về an toàn.
Ý tưởng khoang điều áp của Piccard về sau trở thành nền tảng cho khoang máy bay và khoang tàu vũ trụ. Chính ông cũng áp dụng nó theo chiều ngược lại để thiết kế tàu lặn sâu, vì khoang chịu áp lực từ bên ngoài dưới đáy biển cũng là bài toán cùng gốc với khoang giữ áp suất bên trong ở trên cao.
Khí cầu khoa học hiện đại: kính thiên văn treo dưới bóng
Ngày nay các cơ quan vũ trụ như NASA, CNES (Pháp), JAXA (Nhật) vẫn duy trì chương trình khí cầu khoa học. Khác xa khinh khí cầu du lịch:
| Khí cầu khoa học tầng bình lưu | Khinh khí cầu du lịch | |
|---|---|---|
| Khí nâng | Heli | Không khí nóng |
| Vỏ bóng | Màng nhựa polyetylen mỏng như túi ni lông | Vải nylon hoặc polyester dày |
| Kích thước khi lên đỉnh | Lớn hơn cả sân vận động, thể tích có thể tới cả triệu mét khối | Vài nghìn mét khối |
| Độ cao bay | Khoảng 30–40 km | Vài trăm đến hơn một nghìn mét |
| Thời gian bay | Vài giờ đến vài tuần | Khoảng một giờ |
| Tải trọng | Thiết bị khoa học, có thể nặng hàng tấn | Người |
Ở độ cao 35–40 km, khí cầu đã ở trên phần lớn bầu khí quyển. Điều đó rất quý cho thiên văn học: không khí dày bên dưới hấp thụ tia hồng ngoại, tia X, tia gamma và làm nhòe ảnh. Một kính thiên văn treo dưới khí cầu nhìn vũ trụ gần như kính trên vệ tinh, nhưng với chi phí thấp hơn nhiều, và sau chuyến bay có thể thu hồi, sửa chữa, nâng cấp để bay tiếp.
Vòng quanh Nam Cực: những chuyến bay hàng tuần
Mùa hè Nam Cực, Mặt Trời không lặn, gió tầng bình lưu thổi vòng tròn quanh lục địa. Khí cầu thả từ trạm nghiên cứu McMurdo có thể bay một hoặc vài vòng quanh Nam Cực trong nhiều tuần rồi quay về gần điểm thả, nhiệt độ ổn định vì không có đêm. Năm 1998, thí nghiệm BOOMERanG bay theo cách đó đã đo bức xạ phông vi sóng vũ trụ với độ chính xác cao, góp phần xác nhận vũ trụ có dạng hình học gần như phẳng.
Khí cầu ở hành tinh khác
Năm 1985, hai tàu Vega của Liên Xô, có sự tham gia của Pháp và nhiều nước, trên đường bay tới sao chổi Halley, đã thả hai khí cầu nhỏ vào khí quyển sao Kim. Mỗi quả bóng trôi ở độ cao khoảng 50 km so với bề mặt, nơi nhiệt độ và áp suất gần giống Trái Đất, và gửi dữ liệu về gió, nhiệt độ trong khoảng hai ngày cho đến khi cạn pin. Đến nay đó vẫn là những khí cầu duy nhất từng bay ở hành tinh khác.
Các cơ quan vũ trụ đã nhiều lần đề xuất khí cầu cho sao Kim, sao Hỏa và Titan (vệ tinh của sao Thổ, có khí quyển dày). Trên Titan, NASA chọn thiết bị bay có cánh quạt thay vì khí cầu, nhưng ý tưởng "bay lơ lửng nhiều tháng để khảo sát" vẫn được bàn tiếp.
Dòng thời gian
- 1804: Gay-Lussac và Biot bay đo khí quyển; Gay-Lussac lên khoảng 7.000 m.
- 1862: Glaisher và Coxwell suýt chết vì thiếu oxy trên cao.
- 1912: Victor Hess phát hiện tia vũ trụ.
- 1931: Auguste Piccard và Paul Kipfer lên tầng bình lưu trong khoang kín.
- 1985: hai khí cầu Vega bay trong khí quyển sao Kim.
- 1998: BOOMERanG đo phông vi sóng vũ trụ từ khí cầu bay quanh Nam Cực.
- 2013–2021: dự án Loon dùng khí cầu tầng bình lưu phát sóng internet cho vùng xa xôi, rồi dừng vì không có lãi, nhưng để lại nhiều kinh nghiệm điều khiển bóng theo tầng gió bằng thuật toán.
Khí cầu tầng bình lưu cũng từng nâng khoang cho các lần nhảy từ độ cao kỷ lục, như chuyến của Felix Baumgartner năm 2012. Câu chuyện đó thuộc về môn nhảy dù hơn là khoa học khí cầu.
Góc nhìn hôm nay: khoa học trong tầm tay học sinh
Ở nhiều nước, câu lạc bộ học sinh, sinh viên tự thả bóng thời tiết mang máy ảnh nhỏ, máy đo nhiệt độ và GPS lên tầng bình lưu, chụp được đường cong của Trái Đất và nền trời đen. Ở Việt Nam, mọi vật thể bay đều phải được phép của cơ quan quản lý vùng trời, nên một dự án như vậy chỉ nên làm khi có trường đại học, viện nghiên cứu hoặc đài khí tượng đứng ra phối hợp xin phép.
Những ai muốn đọc sâu có thể tìm đến lịch sử vật lý tia vũ trụ (bài giảng Nobel của Victor Hess được công bố công khai), các trang giới thiệu chương trình khí cầu khoa học của NASA và CNES, hoặc hồi ký của gia đình Piccard. Một điều thú vị: dòng họ này có ba thế hệ phá kỷ lục bằng khí cầu và tàu lặn, từ tầng bình lưu đến đáy đại dương.
Câu hỏi thường gặp
Ai phát hiện ra tia vũ trụ?
Nhà vật lý người Áo Victor Hess, qua các chuyến bay khinh khí cầu năm 1911–1912. Ông thấy bức xạ ion hóa tăng mạnh khi lên cao, kết luận nó đến từ ngoài vũ trụ, và được trao giải Nobel Vật lý năm 1936.
Khí cầu khoa học bay cao bao nhiêu?
Các khí cầu khoa học tầng bình lưu dùng heli thường bay ở độ cao khoảng 30–40 km, trên phần lớn bầu khí quyển. Ở đó kính thiên văn và máy dò hạt có thể quan sát gần như từ ngoài vũ trụ.
Vì sao dùng khí cầu thay vì vệ tinh?
Khí cầu rẻ hơn nhiều, chuẩn bị nhanh hơn, và thiết bị có thể thu hồi sau chuyến bay để sửa chữa, nâng cấp, bay lại. Nó phù hợp để thử nghiệm công nghệ mới trước khi đưa lên vệ tinh hoặc cho những thí nghiệm không cần ở trên quỹ đạo nhiều năm.
Đã có khí cầu bay ở hành tinh khác chưa?
Đã có. Năm 1985, hai tàu Vega thả hai khí cầu vào khí quyển sao Kim. Chúng trôi ở độ cao khoảng 50 km và gửi dữ liệu về trong khoảng hai ngày.
Ai là người đầu tiên lên tầng bình lưu?
Auguste Piccard và Paul Kipfer, năm 1931, trong một khoang nhôm kín treo dưới khí cầu hydro. Họ đạt độ cao khoảng 15.800 mét và hạ cánh an toàn xuống một sông băng ở dãy Alps.
