Tác động môi trường của những vụ phóng tên lửa

UDMH đầu độc đất đai trong nhiều thập kỷ

Kể từ năm 1965, Proton đã phóng thành công hàng trăm vệ tinh của chính phủ và thương mại. Một tác dụng phụ là nó đã ngâm đất Kazakhstan trong chất độc. Rất ít thông tin được công bố về tác động môi trường, nhưng giới khoa học tin rằng UDMH và loạt sản phẩm phụ của quá trình chuyển đổi của nó có thể tồn tại trong đất trong nhiều thập kỷ. Nghiên cứu cho thấy việc gia tăng phóng tên lửa sẽ làm hỏng tầng ozone, thay đổi khí hậu. UDMH cũng cung cấp năng lượng cho bốn thế hệ tên lửa Trường Chinh đầu tiên của Trung Quốc (thế hệ thứ 2 đến thứ 4 vẫn đang được sử dụng).

Filippo Maggi, phó giáo sư kỹ thuật hàng không vũ trụ tại Politecnico di Milano (Italy), người nghiên cứu công nghệ đẩy tên lửa, bình luận: “Ở phương Tây, loại nhiên liệu đẩy này chỉ được sử dụng cho động cơ đẩy vệ tinh và cho các tầng rất cao, nơi nó không tiếp xúc với khí quyển. UDMH có những ưu điểm. Nó không cần nguồn đánh lửa, bạn có thể lưu trữ nó ở nhiệt độ môi trường xung quanh và nó cung cấp rất nhiều năng lượng”. Tuy nhiên, Maggi nói thêm, các nhà nghiên cứu vẫn đang tìm kiếm những chất thay thế có thể có cho chất độc UDMH ngay cả trong những công nghệ ít rủi ro hơn.

Động cơ tên lửa rắn tạo ra mưa axit, lỗ thủng tầng ozone

Động cơ tên lửa rắn (SRM) giúp nhiều tên lửa đẩy hạng nặng rời khỏi mặt đất. Có lẽ nổi tiếng nhất là tên lửa đẩy rắn của tàu con thoi vũ trụ của NASA, đốt hỗn hợp nhôm và amoniac, và không hẳn là một chiến thắng về mặt môi trường. Một số hiện tượng khá kỳ lạ đã được báo cáo sau khi tàu con thoi được phóng. Đám mây lớn được tạo ra trong quá trình cất cánh chứa những hóa chất khá phản ứng như axit clohydric và nhôm oxit. Những chất này đã trộn lẫn với nước từ hệ thống làm mát bệ phóng và tên lửa. Đám mây này sau đó lan ra môi trường xung quanh, ảnh hưởng đến chất lượng đất và nước, và gây hại cho thảm thực vật. Sau một số lần phóng tàu con thoi, một lượng lớn cá chết được tìm thấy ở các vùng nước gần đó, một nghiên cứu được trích dẫn trong bài đánh giá đã báo cáo.

Sau đó, giới khoa học đã thử nghiệm với các thùng mở, đóng và đóng một phần với nước được để gần địa điểm phóng trong quá trình cất cánh. Họ phát hiện khi các thứ từ đám mây tàu con thoi rơi xuống các thùng, nước bên trong biến thành một loại axit nhẹ. May mắn thay, trong tự nhiên, độ PH của nước nhanh chóng trở lại bình thường (mặc dù không đủ nhanh đối với cá chết).

Vào những năm 1990, giới khoa học thực sự đã tìm thấy nhiều lỗ thủng ozone cục bộ trong luồng khí thải của tên lửa - David Fahey, giám đốc Phòng thí nghiệm Khoa học Hóa học tại Cơ quan Quản lý Khí quyển và Đại dương Quốc gia Mỹ (NOAA), người đứng đầu nghiên cứu, tuyên bố. Nhưng các lỗ thủng đã nhanh chóng lành lại sau mỗi lần phóng và không đủ lớn để ảnh hưởng đến tầng ozone trên toàn cầu. Ít nhất là không phải ở tần suất phóng vào thời điểm đó. Nhưng vẫn còn những thành phần khác của khí thải SRM mà giới khoa học vẫn chưa hiểu hết và lo ngại. Nhôm oxit từ khí thải tạo thành các hạt có thể phản chiếu ánh sáng mặt trời và do đó thay đổi lượng nhiệt truyền đến bề mặt Trái đất. Loại hạt này được đưa vào các lớp trên nguyên sơ của khí quyển Trái đất - tầng bình lưu và tầng trung lưu - và có khả năng gây ra những thay đổi về nhiệt độ.

Martin Ross, thuộc Tập đoàn Hàng không Vũ trụ Mỹ (USAC), một chuyên gia hàng đầu về tác động của khí quyển đối với các vụ phóng tên lửa, người đã tham gia vào chiến dịch đo tầng ozone vào những năm 1990, lưu ý nhóm đã đo các hạt oxit nhôm vào thời điểm đó nhưng không tập trung vào mức độ chúng phân tán hoặc hấp thụ ánh sáng. Vào thời điểm đó, giới khoa học quan tâm đến sự đóng góp của các hạt vào sự suy giảm tầng ozone.

Động cơ tên lửa hybrid cũng… không sạch sẽ!

Động cơ tên lửa lai đốt nhiên liệu rắn với chất oxy hóa lỏng hoặc khí. Nổi tiếng nhất là công nghệ này được Virgin Galactic sử dụng trong máy bay vũ trụ cận quỹ đạo   SpaceShipTwo, đưa khách du lịch đi các chuyến bay ngắn đến rìa không gian và quay trở lại. Những động cơ này tương đối đơn giản và an toàn khi vận hành, nhưng giới khoa học không mấy ấn tượng với những tác động phụ của chúng đối với môi trường. Hạt bồ hóng, hay carbon đen, giống như hạt nhôm oxit, có thể ảnh hưởng đến cách khí quyển hấp thụ nhiệt. Giống như nhôm oxit, hạt bồ hóng được đưa vào các lớp cao hơn của khí quyển, nơi chúng có thể tồn tại mãi mãi. Và khi nồng độ của chúng tăng dần qua nhiều thập kỷ, tác động của chúng có thể xuất hiện khá âm thầm.

Maggi kết luận: “Chúng tôi có thể đo được lượng hạt đầu ra từ động cơ tên lửa rắn. Những hạt này có kích thước khoảng một micron và có rất nhiều. Nhưng vì chúng lớn nên chúng rơi xuống đất nhanh hơn. Trong động cơ tên lửa lai, chúng tôi không thể thu thập được muội than từ luồng khói vì chúng cực kỳ mịn, có kích thước vài nanomet”. Tên lửa Falcon 9 của SpaceX đốt RP-1, tương tự như dầu hỏa nhiên liệu hàng không. Nhiên liệu này có xu hướng tạo ra nhiều hạt bồ hóng khi cháy.

Dầu hỏa: Đáng tin cậy, nhưng có nhiều muội than

Nhiên liệu tên lửa 1 (RP-1) là loại nhiên liệu tên lửa phổ biến tương tự như dầu hỏa nhiên liệu hàng không. Ổn định ở nhiệt độ phòng và không quá dễ nổ, dầu hỏa cung cấp đủ năng lượng để nâng tên lửa lên khỏi mặt đất ngay cả khi không có sự trợ giúp của tên lửa đẩy rắn bổ sung. RP-1 cung cấp năng lượng cho giai đoạn đầu tiên của tên lửa Saturn V nổi tiếng thời Apollo của NASA. Ngày nay, nó cung cấp năng lượng cho tên lửa Falcon 9 của SpaceX. Giống như động cơ tên lửa hybrid, tên lửa sử dụng nhiên liệu RP-1 tạo ra muội than.

Martin Ross cảnh báo lượng ô nhiễm thải ra có thể không chỉ phụ thuộc vào nhiên liệu mà còn phụ thuộc vào cấu tạo của chính động cơ. Do đó, hiện tại không thể nói tên lửa nào bẩn hơn những tên lửa khác. Động cơ sử dụng nhiên liệu RP-1 cũng tạo ra carbon dioxide, một loại khí nhà kính gây ra biến đổi khí hậu do con người gây ra. Tuy nhiên, giới khoa học hiện không quan tâm đến tác động của carbon dioxide do tên lửa thải ra. Đơn giản là vì tất cả các nguồn khí nhà kính khác đều nhỏ hơn tổng lượng khí thải của các chuyến bay vũ trụ toàn cầu. Theo Martin Ross, lượng nhiên liệu hóa thạch mà ngành vũ trụ đốt cháy chỉ bằng khoảng 1% so với lượng nhiên liệu hóa thạch mà ngành hàng không đốt cháy.

Oxy lỏng/ Hydro lỏng: Nhiên liệu xanh nhưng yếu

Theo quan điểm về môi trường, nó khó có thể tốt hơn oxy lỏng/hydro lỏng (LOx/LH2). Khí thải của nhiên liệu này hầu như hoàn toàn được tạo thành từ hơi nước, những tác động của nó trong khí quyển đã được nghiên cứu rộng rãi. Trong khi LOx/LH2 khá dễ nổ, vấn đề này có thể được giải quyết bằng cách xử lý cẩn thận. Nó cũng có mật độ năng lượng thấp - để nâng một tên lửa lên khỏi mặt đất chỉ bằng LOx/LH2 sẽ cần những bình chứa khổng lồ. Đó là lý do tại sao các tên lửa lớn như Ariane 5 và 6 của ESA và SLS của NASA có thêm các tên lửa đẩy rắn để vượt qua lực kéo ban đầu của trọng lực Trái đất. Tên lửa nhỏ hơn, chẳng hạn như New Shepard dưới quỹ đạo của Blue Origin, có thể hoạt động chỉ bằng LOx/LH2. Ba động cơ RS-25 chính của tàu con thoi từng hoạt động bằng LOx/LH2, được cung cấp từ một thùng chứa bên ngoài khổng lồ được thả xuống khi hết nhiên liệu và phân hủy trong khí quyển. Tuy nhiên, hiệu ứng nhỏ này có thể được quan sát trên mặt đất nhận thấy.

Các vụ phóng tàu con thoi thường kích hoạt sự hình thành của đám mây mesospheric ngoạn mục. Những đám mây này đôi khi có thể hình thành trong mesosphere, lớp khí quyển khô ở độ cao từ 50 đến 85 km, phát sáng vào ban đêm khi mặt trời, vốn đã ẩn dưới đường chân trời của người quan sát, vẫn chiếu sáng chúng.

Methane: loại nhiên liệu đầy hứa hẹn

Maggi cho biết nhiên liệu tên lửa dựa trên methane là một công nghệ giúp ngành công nghiệp du hành vũ trụ trong tương lai “cai nghiện” SRM gây ô nhiễm nhiều hơn. Methane là một loại khí nhà kính mạnh. Nhưng nó cháy sạch hơn RP-1 và cung cấp nhiều năng lượng hơn LOx/LH2. Maggi giải thích: “Methane có thể sớm thay thế hydro trong các bệ phóng. Methane lỏng và hydro lỏng có thể cung cấp lực đẩy lớn trong bệ phóng vẫn tương đối nhỏ gọn. Nếu bạn sản xuất một đơn vị đẩy tốt, hiệu suất của đơn vị đó có thể lên tới 99,5%. Điều đó có nghĩa là lượng khí mê-tan còn lại về cơ bản là bằng không. Bạn có thể thải ra một ít khí cacbon monoxit thay vì khí cacbon dioxit. Nhưng lượng khí đó sẽ rất ít”.

Mặc dù là một loại khí nhà kính rất mạnh, nhưng methane dùng làm nhiên liệu tên lửa dường như cũng khá thân thiện với môi trường vì hiệu quả đốt cháy của nó. Tuy nhiên, một số nghiên cứu chỉ ra rằng khí methane, thường được vận chuyển dưới dạng khí, có thể rò rỉ vào khí quyển từ các đường ống dẫn khí. Khí rò rỉ này làm nóng lên gấp 80 lần so với carbon dioxide, từ đó đẩy nhanh quá trình biến đổi khí hậu. Tên lửa siêu nặng Starship của SpaceX đốt khí methane lỏng trong động cơ Raptor, tương tự như động cơ thử nghiệm Prometheus hiện đang được Cơ quan Vũ trụ Châu Âu (ESA) phát triển.

Nhiên liệu sinh học: Một ẩn số ít được khám phá

Một số công ty khởi nghiệp tên lửa đang thử nghiệm một số giải pháp thay thế bền vững cho RP-1 được làm từ sản phẩm thải hoặc sinh khối. Tất cả các công nghệ này đều đang trong giai đoạn đầu. Công ty Orbex của Anh chế tạo một tên lửa đẩy siêu nhỏ Prime in 3D hoạt động bằng biopropane gần đây đã ủy quyền cho một nghiên cứu phát hiện ra rằng công nghệ này có thể tạo ra lượng khí thải ít hơn 86% so với tên lửa đẩy nhiên liệu RP-1 có kích thước tương tự. Hầu hết những sự cắt giảm này đến từ lượng khí thải carbon âm của quá trình sản xuất nhiên liệu chứ không phải do tên lửa thải ra ít hơn đáng kể.

Điều thú vị là nghiên cứu kết luận rằng Prime hoạt động bằng biopropane sẽ tạo ra ít muội than hơn nhiều so với tên lửa đốt RP-1. Hạt muội than, không giống như khí thải carbon dioxide, khiến giới khoa học lo lắng vì những tác động có thể xảy ra của chúng đối với nhiệt độ của các tầng cao hơn của khí quyển. Một công ty khởi nghiệp tên lửa khác của Anh là Skyrora thử nghiệm một giải pháp thay thế cho RP-1 có tên là Ecosene, được làm từ nhựa không thể tái chế. Công ty cũng cho biết việc đốt nhiên liệu này sẽ tạo ra ít khí thải hơn, lên đến 40% - bao gồm carbon dioxide, carbon monoxide, bồ hóng và lưu huỳnh.