Hệ thống Định vị Toàn cầu (GPS) là công nghệ khá quen thuộc trong thời đại số ngày nay, đặc biệt là những người thường xuyên sử dụng hệ thống định vị vệ tinh để đi du lịch, lái xe xuyên quốc gia, hoặc thực hiện các hành trình từ điểm A đến điểm B.
Nhưng nếu điểm đến của bạn nằm ngoài Trái đất thì sao? Liệu một thứ như GPS có thể mở rộng sang các thiên thể khác ngoài Trái đất?
Câu trả lời không chỉ là “có” mà còn là “nó sắp xuất hiện”. Cơ quan Hàng không Vũ trụ Mỹ (NASA) cùng các đối tác ở châu Âu và Nhật Bản đang phát triển ý tưởng về hệ thống định vị vệ tinh cho Mặt trăng, dự kiến có thể triển khai vào cuối thập kỷ này. Vào tháng 7/2024, Cơ quan Quản lý Vũ trụ Quốc gia Trung Quốc (CNSA) đã công bố kế hoạch xây dựng một hệ thống gồm 21 vệ tinh liên lạc và định vị trên Mặt trăng theo thời gian thực, nhằm hỗ trợ các sứ mệnh khám phá Mặt trăng của quốc gia này trong tương lai.
“Đây là thời điểm con người bắt đầu nghĩ đến một bước nhảy vọt như vậy trong lĩnh vực công nghệ”, Bijunath Patla, nhà vật lý lý thuyết tại Viện Tiêu chuẩn và Công nghệ Quốc gia Mỹ (NIST), nhận định.
Động lực cho thay đổi này là sự gia tăng các hoạt động khám phá Mặt trăng đã được lên kế hoạch trong những năm tới, đòi hỏi sự trợ giúp của các hệ thống hậu cần phức tạp, bao gồm hệ thống định vị, dẫn đường và thời gian (PNT) – những thứ là nền tảng cho gần như toàn bộ cơ sở hạ tầng của chúng ta trên Trái đất ngày nay.
Ngành công nghiệp không gian thương mại đang tìm kiếm những cơ hội có thể phát sinh trong nền kinh tế mới nổi trên Mặt trăng, chẳng hạn như khai thác tài nguyên, sản xuất trong môi trường trọng lực thấp, nghiên cứu khoa học hoặc du lịch. Trong khi các sứ mệnh trước đây lên Mặt trăng dựa vào những hệ thống chuyển tiếp cơ bản để liên lạc và định vị, thì tương lai của việc khám phá Mặt trăng đòi hỏi một hệ thống vệ tinh có thể phủ sóng toàn bộ Mặt trăng, hoặc ít nhất là một phần của nó.
“GPS đã trở thành xương sống của nền kinh tế trên Trái đất”, Cheryl Gramling, kỹ sư hàng không vũ trụ tại NASA, nhận định. “Nông nghiệp, an toàn, cứu hộ, tài chính, khai thác khoáng sản – tất cả các ngành công nghiệp đó đều dựa vào GPS.”
“Hệ thống định vị trên Mặt trăng sẽ hỗ trợ các hệ thống hạ cánh, khai thác tài nguyên tại chỗ và lập kế hoạch đường đi”, Gramling cho biết. “Ban đầu, trọng tâm xây dựng GPS sẽ là Cực Nam của Mặt trăng, nơi có nhiều sứ mệnh đã được lên kế hoạch. Nhưng mục tiêu dài hạn có thể là bao phủ toàn bộ bề mặt Mặt trăng”.
Các sứ mệnh khám phá Mặt trăng trong tương lai có thể sử dụng dịch vụ liên lạc băng thông rộng và hệ thống dẫn đường tương tự như GPS trực tiếp từ quỹ đạo Mặt trăng, thông qua hợp đồng với các nhà cung cấp dịch vụ thương mại.
|
Có nhiều vấn đề phức tạp cần giải quyết để hệ thống GPS trên Mặt trăng có thể hoạt động được. Trước tiên, các nhà khoa học phải trả lời một câu hỏi cơ bản: “Bây giờ là mấy giờ trên Mặt trăng?”. Câu trả lời không hề đơn giản. Các sứ mệnh trên Mặt trăng luôn phải tính đến chu kỳ ngày và đêm ở đó, mỗi chu kỳ kéo dài khoảng hai tuần. Nhưng hiện tại không có thang đo thời gian tiêu chuẩn nào trên Mặt trăng giống như Hệ thống Thời gian Phối hợp Quốc tế (UTC) trên Trái đất.
Thiết bị đo thời gian chính xác là yếu tố cốt lõi của các hệ thống vệ tinh định vị toàn cầu (GNSS) hiện nay bao gồm GPS của Mỹ, BeiDou của Trung Quốc, GLONASS của Nga và Galileo của châu Âu. Các vệ tinh trong những hệ thống này mang theo đồng hồ nguyên tử, có thể đo thời gian với độ chính xác lên tới vài phần tỷ giây.
Vị trí trên Trái đất được tính toán dựa vào thời gian truyền tín hiệu từ vệ tinh đến máy thu ở mặt đất [chẳng hạn như điện thoại]. Phép đo thời gian sai lệch chỉ 1 nano giây có thể dẫn đến sai số định vị lên tới 30 cm. Vì vậy, mức độ chính xác về thời gian là yếu tố rất quan trọng cho các hệ thống GPS trên Mặt trăng trong tương lai.
Tuy nhiên, có một điều đáng lưu ý là đồng hồ trên Mặt trăng chạy nhanh hơn một chút so với trên Trái đất. Sự khác biệt này là hệ quả của thuyết tương đối rộng, khiến cho dòng chảy thời gian trôi chậm hơn khi ở gần các vật thể có khối lượng lớn hơn.
Để giải quyết vấn đề trên, nhà vật lý lý thuyết Bijunath Patla tại Viện Tiêu chuẩn và Công nghệ Quốc gia Mỹ và đồng nghiệp Neil Ashby đã tính toán sự chênh lệch giữa đồng hồ trên Trái đất và Mặt trăng trong một nghiên cứu được công bố trên tạp chí Thiên văn học (Astronomical Journal) vào tháng 8/2024. Họ phát hiện đồng hồ trên Mặt trăng chạy nhanh hơn trên Trái đất khoảng 56 micro giây mỗi ngày.
“Một chiếc đồng hồ với độ chính xác cao trên Trái đất có mức độ sai lệch khoảng một giây trong vòng 14 tỷ năm – tương đương với tuổi của vũ trụ”, Patla cho biết. “Tuy nhiên, trên Mặt trăng, đồng hồ sẽ sai lệch một giây sau mỗi 50 năm so với đồng hồ trên Trái đất nếu không được hiệu chỉnh. Đây là một sự khác biệt khá lớn”.
Nghiên cứu mới của Patla và Ashby đã đặt nền móng cho việc xây dựng một hệ thống thời gian chuẩn trên Mặt trăng, tương tự như Hệ thống Thời gian Phối hợp Quốc tế (UTC) trên Trái đất.
Hiện tại, NASA, Cơ quan Vũ trụ châu Âu (ESA) và Cơ quan Thám hiểm Hàng không Vũ trụ Nhật Bản (JAXA) đang triển khai một số dự án để phát triển hệ thống vệ tinh GPS trên Mặt trăng, với sự tham gia của các đối tác thương mại. Các dự án này bao gồm Hệ thống Liên lạc và Dẫn đường Mặt trăng của NASA, Sáng kiến Moonlight của ESA, và Hệ thống Vệ tinh Dẫn đường Mặt trăng của JAXA – tất cả đều tuân theo một khung liên kết chung gọi là LunaNet.
“LunaNet bao gồm những quy chuẩn chung để đảm bảo các hệ thống liên lạc, định vị và thời gian trên Mặt trăng có thể hoạt động đồng bộ với nhau”, Gramling giải thích.
Nói cách khác, mặc dù NASA, ESA và JAXA đang phát triển các dự án riêng lẻ, nhưng họ có kế hoạch hợp nhất những ý tưởng đó thành một hệ thống chung trong tương lai. Kế hoạch chi tiết cho Sáng kiến Moonlight của ESA giúp chúng ta hình dung rõ ràng hơn về cách thức hoạt động của một hệ thống định vị vệ tinh trên Mặt trăng.
Theo đó, hệ thống Moonlight bao gồm ít nhất năm vệ tinh – một vệ tinh lớn dùng để liên lạc và bốn vệ tinh nhỏ hơn dùng để định vị. Các vệ tinh này bay theo những quỹ đạo đặc biệt nhằm tối ưu hóa phạm vi phủ sóng ở vùng Cực Nam của Mặt trăng. Ban đầu, hệ thống này sẽ cung cấp 15 giờ dịch vụ PNT (định vị, dẫn đường và thời gian) ổn định và đáng tin cậy trong mỗi chu kỳ 24 giờ. Tuy nhiên, Moonlight cũng có thể bổ sung thêm vệ tinh để mở rộng khu vực phủ sóng.
“Thay vì mỗi nhiệm vụ lên Mặt trăng đòi hỏi hệ thống liên lạc và điều hướng phức tạp, phụ thuộc lớn vào sự hỗ trợ trên Trái đất, các sứ mệnh trong tương lai có thể sử dụng dịch vụ liên lạc băng thông rộng và hệ thống dẫn đường tương tự như GPS trực tiếp từ quỹ đạo Mặt trăng, thông qua hợp đồng với các nhà cung cấp dịch vụ thương mại”, Javier Ventura-Traveset, quản lý dự án Moonlight tại ESA, nhận định.