NASA và Trung Quốc có kế hoạch đưa các sứ mệnh có người lái lên sao Hỏa trong thập kỷ tới. Mặc dù điều này thể hiện một bước nhảy vọt to lớn về mặt khám phá không gian, nhưng cũng đặt ra những thách thức đáng kể về công nghệ và hậu cần.
Ban đầu, các sứ mệnh chỉ có thể khởi động tới sao Hỏa 26 tháng một lần khi Trái đất và hành tinh đỏ ở những điểm gần nhau nhất trên quỹ đạo. Sử dụng công nghệ hiện tại, sẽ mất từ 6 đến 9 tháng để quá cảnh từ Trái đất đến sao Hỏa.
Nhưng giờ đây, một nhóm nghiên cứu tại Đại học McGill ở Canada đang thiết kế công nghệ mới để đáp ứng yêu cầu của NASA nhằm tăng tốc quá trình đưa tàu vũ trụ lên sao Hỏa. Tia laser, một mảng rộng 10 mét trên Trái đất, sẽ đốt nóng plasma hydro trong một buồng phía sau tàu vũ trụ, tạo ra lực đẩy từ khí hydro và đưa nó đến sao Hỏa chỉ trong 45 ngày. Ở đó, nó sẽ bay lượn trong bầu khí quyển của sao Hỏa, và một ngày nào đó thậm chí chuyển nguồn cung cấp cho con người trên hành tinh đỏ.
Vào năm 2018, NASA đã thách thức các kỹ sư thiết kế một sứ mệnh tới sao Hỏa có thể mang tải trọng ít nhất 1.000 kg trong vòng không quá 45 ngày, cũng như các chuyến đi sâu vào và ra khỏi hệ mặt trời dài hơn. Thời gian càng ngắn thì càng giảm thiểu những tác hại của tia vũ trụ thiên hà và bão mặt trời đối với các phi hành gia. SpaceX của Elon Musk hình dung một chuyến đi của con người lên sao Hỏa sẽ mất sáu tháng với tên lửa chạy bằng nhiên liệu hóa học của hãng.
Ý tưởng của nhóm nghiên cứu Đại học McGill, được gọi là động cơ đẩy nhiệt bằng laser, dựa trên một loạt các tia laser hồng ngoại đặt trên Trái đất, đường kính 10 mét, kết hợp nhiều chùm tia hồng ngoại vô hình, mỗi chùm tia hồng ngoại có bước sóng khoảng 1 micromet, cho tổng công suất cực mạnh là 100 megawatt - công suất điện đủ cho khoảng 80.000 hộ gia đình Mỹ.
Sẽ có một gương phản xạ hướng chùm tia laze từ Trái đất vào một buồng đốt nóng có chứa plasma hydro. Với lõi của nó sau đó được đốt nóng lên đến 40.000 độ C, khí hydro chảy xung quanh lõi sẽ đạt tới 10.000 độ C và được đẩy ra khỏi vòi phun, tạo ra lực đẩy để đẩy con tàu ra khỏi Trái đất trong 58 phút.
Khi chùm tia laser dừng lại, tàu vũ trụ bay đi với vận tốc gần 17 km/giây - đủ nhanh để đi qua khoảng cách quỹ đạo của mặt trăng chỉ trong 8 giờ. Khi đến bầu khí quyển của sao Hỏa trong một tháng rưỡi sau đó, nó vẫn di chuyển với vận tốc 16 km/giây; tuy nhiên, khi đã đến đó, việc đưa tàu vũ trụ lên quỹ đạo 150 km quanh sao Hỏa là một bài toán khó giải cho nhóm kỹ sư.
Động cơ đẩy nhiệt-laser đưa tàu vũ trụ vào không gian sâu - sao Hỏa và xa hơn nữa - tương phản với các phương pháp khác được đề xuất trước đó, chẳng hạn như động cơ đẩy điện-laser.
Emmanuel Duplay, tác giả chính của nghiên cứu cho biết: "Động cơ đẩy nhiệt-laser cho phép thực hiện các nhiệm vụ vận chuyển nhanh chóng có tải trọng 1 tấn với các mảng laser có kích thước bằng một sân bóng chuyền - điều mà động cơ đẩy điện-laser chỉ có thể làm được với các mảng cấp kilomet". Duplay đang theo học chương trình thạc sĩ khoa học về kỹ thuật hàng không vũ trụ của Đại học Công nghệ Delft với chuyên ngành tàu vũ trụ.
Động cơ đẩy nhiệt bằng laser lần đầu tiên được nghiên cứu vào những năm 1970 bằng cách sử dụng tia laser CO2 10,6 micron, mạnh nhất vào thời điểm đó. Các tia laser sợi quang ngày nay, ở kích thước 1 micron, có thể được kết hợp với nhau thành các mảng song song, theo từng giai đoạn với đường kính lớn, hiệu quả.
Những người đầu tiên lên sao Hỏa có khả năng sẽ không đến được đó bằng công nghệ đẩy nhiệt laser. "Tuy nhiên, khi ngày càng có nhiều người thực hiện chuyến đi để duy trì một thuộc địa lâu dài, chúng ta sẽ cần các hệ thống đẩy đưa chúng ta đến đó nhanh hơn - nếu chỉ để tránh các nguy cơ bức xạ" - Duplay nói. Duplay suy đoán, một sứ mệnh nhiệt laser tới sao Hỏa có thể khởi động 10 năm sau những sứ mệnh đầu tiên của con người, có lẽ vào khoảng năm 2040.