Vì sao Trạm Vũ trụ Quốc tế không bốc cháy khi quay quanh Trái đất?

Trạm không gian ISS di chuyển với tốc độ cực nhanh là 8km/s, nó có thể liên tục bay năm lần từ Hà Nội tới Sài Gòn và ngược lại chỉ trong 14 phút. Song đồng thời, các mẩu thiên thạch nhỏ lao nhanh trong vũ trụ và bốc cháy khi bay vào bầu khí quyển của Trái đất. Làm thế nào mà trạm ISS có thể quay quanh Trái đất mà không gặp tổn hại, trong khi thiên thạch lại bốc cháy?

Vì sao thiên thạch bốc cháy trong khí quyển?

Thiên thạch là các khối đá và kim loại nhỏ quay quanh Mặt trời. Những tảng đá không gian này có thể di chuyển với tốc độ từ 12-40km/s. Tốc độ này nhanh tới nỗi nó có thể bay qua toàn bộ nước Mỹ chỉ trong 5 phút.

Đôi khi, quỹ đạo của một thiên thạch lại giao thoa với quỹ đạo của Trái đất và nó bay lọt vào bầu khí quyển của hành tinh. Trên thực tế, dù chúng ta không thể nhìn thấy bằng mắt thường, song bầu khí quyển ngập tràn tổ hợp của các hạt, chủ yếu là nito và oxy – những thứ hợp thành không khí mà ta hít thở. Khi ta càng rời xa bề mặt của Trái đất, thì mật độ của các hạt này trong không khí càng thấp.

Bầu khí quyển Trái đất có cấu trúc phân lớp với các tầng đặc trưng từ dưới lên trên. Khi một vật thể ngoài không gian tiến vào bầu khí quyển của chúng ta, nó phải lao qua từng tầng một trước khi tới được mặt đất.

Thiên thạch bốc cháy trong tầng bình lưu của khí quyển Trái đất, cách mặt đất từ 48 tới 80km. Dù không khí trên đây đã loãng, song thiên thạch vẫn sẽ ma sát với các hạt không khí khi bay qua.

Thế là, áp suất cao và không khí nóng sẽ len vào các vết nứt, khiến khối thiên thạch vỡ tung và bốc cháy khi nó rơi từ trên trời xuống. Quá trình này được gọi là sự bào mòn thiên thạch – đây là điều thực sự xảy ra khi bạn chứng kiến một ngôi sao băng lướt qua bầu trời.

Vậy, vì sao trạm ISS không bốc cháy?

Lý do đơn giản là vì trạm ISS không bay qua tầng bình lưu. Thay vào đó, trạm không gian này bay trên một tầng khí quyển cao hơn và loãng hơn nhiều có tên là tầng nhiệt, cách Trái đất 80 tới 708km.

Đường Kármán được coi là ranh giới không gian, nó nằm trong tầng nhiệt, cách bề mặt Trái đất 100km. Trạm không gian ISS bay còn cao hơn thế, cách bề mặt Trái đất khoảng 402km.

Trong tầng nhiệt quyển có rất ít hạt nên chúng không thể truyền nhiệt được. Ở độ cao mà trạm vũ trụ đang bay, không khí loãng tới nỗi nếu muốn thu được số lượng hạt bằng khối lượng của một quả táo thì bạn sẽ cần một chiếc hộp có kích cỡ bằng Hồ Superior (Mỹ), hồ nước ngọt lớn nhất thế giới tính theo diện tích bề mặt. Để bạn dễ hình dung thì diện tích hồ này lớn gấp gần 40 lần diện tích thành phố Hồ Chí Minh.

Chính vì thế, trạm ISS không tương tác với các hạt khí quyển giống như thiên thạch trải qua, trạm cũng không phải chịu áp suất và nhiệt độ cao như khi thiên thạch di chuyển gần Trái đất hơn, do vậy mà nó không bốc cháy.

Nhưng dù vậy, trạm ISS vẫn trải qua những biến động nhiệt độ lớn. Khi quay quanh Trái đất, nó liên tục tiếp xúc với ánh sáng Mặt trời trực tiếp và bóng tối. Nhiệt độ có thể lên tới 121^oC khi nó tiếp xúc với Mặt trời, và rồi rớt xuống tới -156^oC khi ở trong bóng tối – dao động 277^oC khi trạm di chuyển qua quỹ đạo.

Trạm không gian có khả năng chống chịu với những dao động nhiệt độ lớn như vậy là nhờ các kỹ sư thiết kế trạm đã vô cùng cẩn trọng trong việc chọn lựa vật liệu phù hợp. Nhiệt độ bên trong trạm không gian được duy trì ở mức thoải mái cho các phi hành gia, giống như cách chúng ta sưởi ấm và làm mát nhà cửa ở dưới Trái đất vậy.

Trạm không gian góp phần vào khám phá khoa học

Nhiều nghiên cứu được tiến hành trên trạm ISS đã dẫn đến những tiến bộ như cải thiện công nghệ lọc nước, giúp các nhà khoa học hiểu rõ hơn về chu trình nước và năng lượng của Trái đất, kỹ thuật trồng trọt trong không gian, thông tin về hố đen, cơ thể con người thay đổi như thế nào trong quá trình du hành vũ trụ dài ngày, cùng nhiều nghiên cứu mới về các loại bệnh tật khác nhau và phương pháp điều trị.

Khi trạm đi qua bầu khí quyển của Trái đất trong quá trình rời quỹ đạo, nó sẽ đi vào tầng bình lưu và đối mặt với tình trạng giống các thiên thạch: nhiều bộ phận của trạm sẽ ma sát với các hạt trong khí quyển khiến nó nóng lên và tan rã.

Một số tàu vũ trụ, chẳng hạn như khoang phi hành đoàn đưa các phi hành gia đến trạm ISS và rời đi, thì có thể bảo toàn khi quay trở lại bầu khí quyển nhờ có tấm chắn nhiệt. Đây là một lớp đặc biệt được tạo thành từ nhiều vật liệu có khả năng chịu được nhiệt độ vô cùng cao. Trạm ISS không được thiết kế cho mục đích như vậy và vì thế nó không có tấm chắn nhiệt.

Nguồn:

theconversation