Một thập kỷ cho nhiệm vụ tới sao Hỏa

Kể từ năm 1964, NASA đã đầu tư hơn 21 tỉ USD cho các nhiệm vụ khám phá sao Hỏa, bao gồm bốn tàu tự hành robot hoạt động trên bề mặt sao Hỏa, năm thiết bị thăm dò tại chỗ (static lander) và vô số vệ tinh quay quanh quỹ đạo hành tinh này. So với những nhiệm vụ trước đó, sao Hỏa 2020 phức tạp hơn nhiều. “Nhiệm vụ tới sao Hỏa 2020 của NASA sẽ tăng thêm hiểu biết khoa học về sao Hỏa và trình diện những công nghệ mới nhằm chuẩn bị cho những nhiệm vụ tiếp theo trong tương lai và mục tiêu gửi người lên hành tinh Đỏ vào những năm 2030”, một bản báo cáo về dự án này của NASA công bố năm 2017 cho biết như vậy.

Để hoàn thành bốn mục tiêu khám phá địa chất, sinh học vũ trụ và khả năng tồn tại sự sống, thu thập và lưu trữ các mẫu đất đá, kiểm tra môi trường và thử nghiệm kỹ thuật tạo ôxy, cần có xấp xỉ 9.000 kỹ sư tham gia nhiệm vụ này. Perseverance – tâm điểm của nhiệm vụ, gồm bảy thiết bị khoa học cũng như các cảm biến đo đạc trên bề mặt. Sự phức tạp và hiện đại của các công nghệ liên quan khiến bản thân Perseverance là kết quả của việc hợp tác liên quốc gia dưới lá cờ của NASA: Phòng thí nghiệm Sức đẩy phản lực (JPL) ở California thiết kế máy quang phổ huỳnh quang tia X (PIXL) để xác định thành phần nguyên tố cấp độ nhỏ của các vật liệu bề mặt sao Hỏa và máy quang phổ kế Raman tia cực tím SHERLOC để dò khoáng vật và dò các hợp chất hữu cơ; trường Đại học bang Arizona làm hệ camera đa phổ lập thể Mastcam-Z; Viện công nghệ Massachusetts – hệ tạo oxy từ bầu khí quyển sao Hỏa ISRU, Viện Nghiên cứu Quân sự NaUy – thiết bị hình ảnh radar bề mặt sao Hỏa với độ phân giải quy mô cm (RIMFAX); Viện Công nghệ Hàng không vũ trụ quốc gia Tây Ban Nha là Máy phân tích động lực học môi trường MEDA; Phòng thí nghiệm quốc gia Los Alamos (Bộ Năng lượng Mỹ) siêu camera cung cấp hình ảnh phân tích khoáng chất, thành phần hóa học. Việc cung cấp năng lượng cho Perseverance hoạt động trên sao Hỏa là nhiệm vụ của hai Phòng thí nghiệm quốc gia Idaho và Oak Rigde.

Thêm vào đó, Viện nghiên cứu Vật lý thiên văn và KH ngoại hành tinh Pháp cùng trường Đại học Valladolid Tây Ban Nha cung cấp nhiều hợp phần cho các thiết bị.

Việc quản lý những hợp phần của nhiệm vụ này vô cùng phức tạp. Do đó, NASA đã phân chia nó vào hai giai đoạn chính là Hình thành và Thực thi, sau đó phân chia thành các pha nhỏ là A đến F. Khi đó, pha Hình thành gồm các pha nhỏ A và B, pha Thực thi gồm các pha C và F. Chính cấu trúc này cho phép các nhà quản lý đánh giá được tiến trình thực hiện dự án ở các Điểm quyết định mấu chốt (KDP) thông qua toàn bộ quá trình thực hiện. Qua các pha nhỏ A (lên ý tưởng và phát triển công nghệ) và B (Chuẩn bị thiết kế và hoàn thiện công nghệ), các dự án phát triển và xác định yêu cầu, giá thành và dự báo lịch trình, thiết kế dự án và hoàn thành việc phát triển công nghệ.

Vào giai đoạn cuối của giai đoạn Hình thành, một ủy ban đánh giá độc lập sẽ đáng giá thiết kế được chuẩn bị (PDR) trên mọi khía cạnh và nếu dự án được nhìn nhận là đạt thì mới bắt đầu chuyển sang pha C.

Trong suốt pha C thuộc giai đoạn Thực thi, mỗi dự án đều trải qua hai khâu đánh giá, bao gồm đánh giá thử nghiệm và đánh giá thiết kế tới hạn (CDR) để xem thiết kế có đủ khả năng tiến tới chế tạo, lắp ráp, tích hợp, thử nghiệm cũng như đáp ứng các yêu cầu về hiệu quả, chi phí, lịch trình đã định không… Sau một vài đánh giá nũa, dự án mới chuyển sang pha D với các hoạt động lắp ráp, tích hợp, thử nghiệm, khởi động hệ thống rồi tiến tới pha E vận hành, duy trì và pha F để kết thúc dự án.

Từ lúc khởi đầu, nhiệm vụ sao Hỏa 2020 đã tiến hành nhiều công đoạn chuẩn bị và lên lịch trình: Giai đoạn Hình thành bắt đầu vào tháng 11/2013; các Điểm quyết định mấu chốt vào tháng 2/2016 và chấp thuận các dự án vào Giai đoạn Thực thi vào tháng bảy cùng năm; Đánh giá thiết kế tới hạn vào tháng 2/2017.

Với một chu trình chặt chẽ, nhiệm vụ sao Hỏa đã được thực hiện không chệch khỏi dự kiến: tháng 6/2020 được phóng từ sân bay Cape Canaveral ở Florida và tiếp đất sao Hỏa vào tháng 2/2021 trên vị trí đã được xác định sẵn. Perseverance sẽ ở trên đó ít nhất 1,25 năm sao Hỏa (tương đương 28 tháng trên Trái đất) để khám phá vùng xung quanh.

Với một dự án lớn như nhiệm vụ sao Hỏa, chi phí lớn là một lẽ đương nhiên. Vào thời điểm bắt đầu là tháng 12/2012, John Grunsfeld, người phụ trách khoa học của NASA ước tính tổng kinh phí đầu tư vào khoảng 1,5 tỉ USD hoặc ít hơn 40% so với chi phí dành cho Phòng thí nghiệm khoa học sao Hỏa, nhiệm vụ đưa tàu tự hành Curiosity lên sao Hỏa vào tháng 8/2012. Nguyên nhân để họ tiết kiệm được chi phí là tàu tự hành của năm 2020 có thể dựa vào thiết kế của Curiosity và thừa hưởng phần cứng di sản trên hình thức các hạng mục được xây dựng cho Curiosity nhưng lại không sử dụng.

Tuy nhiên những thay đổi theo thời gian đã khiến ông Guy Webster, phát ngôn viên của Phòng thí nghiệm Sức đẩy phản lực, vào năm 2016 cho biết, kinh phí ước tính lên 2,1 tỉ USD cho việc phát triển và phóng, thêm 300 triệu USD cho việc vận hành trong 1,25 năm sao Hỏa. Con số này tiếp tục thay đổi vào năm 2017: NASA đưa ra một con số 2,44 tỉ USD trong báo cáo. Tuy nhiên, ở thời điểm này chi phí là gần 2,8 tỉ USD: gần 2,2 tỉ USD cho phát triển tàu tự hành Perseverance, 80 triệu USD cho máy bay trực thăng Ingenuity, 243 triệu USD cho việc hạ cánh xuống sao Hỏa và 296 triệu USD cho việc vận hành tàu tự hành trên sao Hỏa.

Ông George Tahu, giám đốc vận hành sao Hỏa 2020, giải thích nguyên nhân vì sao lại có những chênh lệch quá lớn về ngân sách đầu tư cho nhiệm vụ, con số ước tính ban đầu 1,5 tỷ USD là dựa trên các giả định ban đầu về “một phạm vi hạn chế hơn để phù hợp với điều kiện ngân sách dành cho khoa học hành tinh vào thời điểm đó”. Những ước tính ban đầu này không tính đến những công nghệ vũ trụ tiềm năng của NASA và các sứ mệnh đưa con người bay vào vũ trụ, đồng thời “ước lượng khối lượng khoa học khiêm tốn hơn những gì thu được từ trưng cầu và sự lựa chọn cuối”. Vì lẽ đó, vào thời điểm bắt đầu pha A khi xác định yêu cầu của sứ mệnh, NASA đã tính đến “phạm vi chi phí ở mức 2 tỷ USD để phát triển và phóng vào vũ trụ” đồng thời tính đến kế hoạch có một khối lượng khoa học lớn hơn. Theo ông Tahu, việc lựa chọn sứ mệnh dẫn đến việc bổ sung các công nghệ mới cho tàu tự hành, bao gồm một hệ thống giúp tăng độ chính xác hạ cánh, một hệ thống cải thiện khả năng lái tự động.

Vấn đề tài chính của nhiệm vụ sao Hỏa 2020 cũng là vấn đề khiến nhiều người dân Mỹ quan tâm. Vào tháng 7/2020, trong một cuộc hỏi đáp trực tuyến qua NASA Tech Briefs, một kênh thông tin chính thức của NASA được thiết lập từ những năm 1960, một độc giả đã đặt câu hỏi với Keith Comeaux (Phòng thí nghiệm Sức đẩy Phản lực NASA), người đảm trách vị trí Phó kỹ sư trưởng của nhiệm vụ sao Hỏa 2020: “Bao nhiêu phần cứng dự phòng của tàu tự hành Curiosity được sử dụng cho Perseverance? Và tiết kiệm được bao nhiêu chi phí, nếu có, nhờ việc sử dụng phần dự phòng này?”. Ngay lúc đó, Keith Comeaux đã giải thích: “Tôi không có ngay danh sách tóm tắt về lượng thiết bị sử dụng theo cách này nhưng có thể nói chúng tôi đã sử dụng một lượng lớn phần cứng dự phòng đó của Curiosity. Đáng chú ý nhất, cấu trúc cơ bản của Perseverance chính là cấu trúc đã được phê duyệt của Curiosity và trong radar hỗ trợ việc hạ cánh của Perseverance thì chúng tôi cũng sử dụng nhiều thành phần thiết bị từ Curiosity”.

Tuy nhiên, ông Keith Comeaux cho rằng, khoản tiết kiệm lớn nhất mà họ nhận được từ việc kế thừa công nghệ ở Curiosity là nằm ở quá trình thiết kế và vận hành: “Chúng tôi không phải trải qua tất cả các ‘bài học kinh nghiệm’, quá trình ‘thử và sai’ đầy khó khăn nhằm tiến tới một thiết kế mới cho nhiều hệ thống phụ trợ, đặc biệt là tất cả các thiết bị điện tử hàng không được thừa hưởng từ nhiệm vụ Curiosity, ví dụ như nhiều bo mạch...”. Do đó, ông nhấn mạnh đến việc “chúng tôi không có được con số chính xác để cung cấp cho bạn về số tiền tiết kiệm được, nhưng ước tính có lẽ là vào khoảng hàng chục triệu, nếu không muốn nói là trăm triệu USD, từ cả việc tái sử dụng thiết kế cũng như các bộ phận dự phòng”.

Có một điểm mà những người phụ trách nhiệm vụ sao Hỏa và các nhà khoa học chủ chốt đều cảm thấy sự căng thẳng của việc giữ cân bằng ngân sách giữa thúc đẩy một nhiệm vụ khám phá hành tinh cụ thể với những nhiệm vụ khác trong tương lai. Bởi việc dồn vượt mức chi phí cho một sứ mệnh đưa Perseverance xuống sao Hỏa và khai thác, lưu trữ mẫu đất đá, khí quyển sao Hỏa rồi đưa về Trái đất có khả năng đe dọa tương lai của hai sứ mệnh khác đang thực hiện, ví dụ như “Những nhiệm vụ sao Hỏa tương lai” - trong đó có việc đưa con người lên hành tinh đỏ, và “Nhiệm vụ quốc tế vẽ bản đồ băng sao Hỏa” do NASA phối hợp với Cơ quan Hàng không Vũ trụ Nhật Bản, Cơ quan Vũ trụ Canada và Cơ quan Vũ trụ Ý thực hiện... Ông Jim Watzin, giám đốc Chương trình Khám phá sao Hỏa của NASA, nói trong một phiên họp của Hội đồng tư vấn khoa học hành tinh vào ngày 9/3/2020: “Thật khó khăn để chúng ta đưa ra những quyết định đảm bảo cân bằng ngân sách với những sức ép mà chúng ta phải đối mặt”.

Năm 2020, có một vấn đề nữa là Mỹ còn phải dành quan tâm để đối phó đại dịch. “Vẫn có cách để kiểm soát chi phí cho các nhiệm vụ khoa học của NASA mà không nhất thiết ảnh hưởng đến các nhiệm vụ đó. Và dù đất nước đang phải dồn chi phí cho đại dịch thì chúng ta vẫn cần giữ vững việc ưu tiên một số nhiệm vụ khoa học cho tương lai. Khám phá sao Hỏa phải là một trong số đó”, John Logsdon, một nhà sử học vũ trụ và chuyên gia chính sách tại trường Đại học George Washington, nói.