Cuộc đua khinh khí cầu năm 1783: Không khí nóng hay hydro đưa con người lên trời?
Năm 1783, một khung gỗ nhẹ phủ vải taffeta đã bay lên trần nhà chỉ nhờ giấy cháy bên dưới. Từ thử nghiệm nhỏ ấy, hai hướng bay đối đầu xuất hiện: khinh khí cầu Montgolfier dùng không khí nóng và khí cầu của Jacques Charles dùng hydro. Cả hai đều dựa trên ý tưởng khí nhẹ hơn môi trường xung quanh có thể nâng vật lên, nhưng cách tạo lực nâng, cách trình diễn và mức nguy hiểm lại rất khác nhau. [1]
Câu chuyện này không chỉ là cuộc tranh tài xem ai bay trước. Nó cho thấy một phát minh có thể hình thành từ sự kết hợp giữa quan sát đơn giản, kỹ thuật chế tạo, hiểu biết đang thay đổi về khí và nhu cầu gây ấn tượng trước công chúng. [1]
Từ khói bếp đến chiếc khinh khí cầu đầu tiên
Joseph Montgolfier kể rằng ý tưởng đến khi ông quan sát tia lửa và khói bay lên ống khói vào năm 1782. Ông nghĩ không khí được đun nóng có thể phục vụ một phương tiện trên không, thậm chí từng liên hệ nó với tham vọng quân sự. Thử nghiệm đầu tiên rất thô sơ: một khung gỗ góc cạnh phủ taffeta, phía dưới đốt giấy. Khung nhanh chóng bay lên trần, đủ để biến một suy đoán thành điều có thể quan sát. [1]
Étienne Montgolfier sau đó đảm nhiệm những phần việc đòi hỏi tính toán hơn như kích thước, hình dạng và sức nâng. Hai anh em ghép các mảnh vải có lớp giấy, buộc chúng bằng dây luồn qua hàng trăm lỗ khuy, rồi chế tạo những quả cầu ngày càng lớn. Buổi trình diễn công khai ở miền nam nước Pháp khiến tin tức lan tới Paris. Điểm cốt lõi của khí cầu Montgolfier là không khí bình thường, khi nóng lên và nở ra, có thể giúp cả cấu trúc nhẹ hơn khối không khí xung quanh. [1]
Vì sao Jacques Charles chọn hydro?
Jacques-Alexandre-César Charles vốn quen với các bài giảng vật lý có thí nghiệm trực quan. Khi nghe tin về khí cầu Montgolfier, ông ban đầu cho rằng đối thủ đã dùng hydro, vì khi ấy hydro là loại khí nhẹ hơn không khí đã được biết đến rõ ràng nhất. Ông hợp tác với hai nhà chế tạo dụng cụ Anne-Jean và Marie-Noël Robert để sản xuất lượng “không khí dễ cháy” rất lớn, tên gọi đương thời dành cho hydro. [1]
Cách làm của họ dựa trên phản ứng giữa axit hydrochloric và mạt sắt trong một thùng chứa chúng, với ống và van kiểm soát dòng khí. Một thiết bị có các ngăn lót sắt được thiết kế để tăng diện tích tiếp xúc, nhưng hoạt động không như mong muốn nên nhóm phải quay lại dùng thùng. Quả khí cầu vải được phủ keo nhằm giảm rò rỉ và chống nước. Ngày 27 tháng 8 năm 1783, khí cầu hydro không người lái đầu tiên cất lên từ Champ de Mars trong lúc một cơn bão đang tới, rồi biến mất vào mây chỉ sau vài phút. [1]
Hai loại khí, hai cách tạo lực nâng
Khí cầu Montgolfier cần một nguồn nhiệt liên tục: tại Versailles, thiết bị đốt rơm và len tạo ra luồng không khí nóng bên dưới vỏ cầu. Khí cầu hydro lại dựa vào một chất khí vốn nhẹ hơn không khí, nên không cần lò đốt bên dưới. Đó là khác biệt dễ thấy nhất giữa hai thiết kế: một bên dùng nhiệt để làm thay đổi khối lượng riêng của không khí bên trong, bên kia đưa trực tiếp khí nhẹ vào vỏ cầu. [1]
Sự khác biệt còn thể hiện ở quy mô và rủi ro. Các khí cầu hydro tương đối nhỏ hơn nhưng có thể bay lâu và xa; chuyến có người của Charles và Marie-Noël Robert vào ngày 1 tháng 12 kéo dài khoảng hai giờ. Khí cầu Montgolfier có thể rất lớn, tạo cảnh tượng hùng vĩ, nhưng ngọn lửa ngay dưới vỏ khiến việc điều khiển và bảo đảm an toàn trở thành vấn đề thường trực. Hydro cũng dễ cháy, một nguy cơ sau này bộc lộ rõ trong thiết kế kết hợp cả hydro lẫn khí nóng. [1]
Từ động vật thí nghiệm đến người bay
Trước khi chấp thuận cho con người lên cao, những người tổ chức buổi trình diễn trước hoàng gia Pháp đưa một con cừu, một con vịt và một con gà trống lên khí cầu vào ngày 19 tháng 9. Cả ba còn sống sau chuyến bay kéo dài tám phút. Kết quả ấy không giải đáp mọi câu hỏi về sinh lý ở độ cao lớn, nhưng nó làm giảm nỗi lo trước mắt rằng động vật sẽ không thể sống trong chuyến đi. [1]
Jean-François Pilâtre de Rozier tiếp tục bay thử bằng một khí cầu Montgolfier có dây giữ vào tháng 10. Đến tháng 11, ông và François Laurent, hầu tước d’Arlandes, thực hiện chuyến bay tự do có người đầu tiên. Khí cầu bay trong 25 phút, liên tục xoay theo gió nhưng hạ xuống an toàn. Chỉ hai tuần sau, Charles và Marie-Noël Robert hoàn tất chuyến bay có người bằng hydro. Charles còn bay một mình lần nữa, lên gần 2,7 km; ông nhận thấy cái lạnh khô ở độ cao đó và phải xả khí khi đau tai. [1]
Khoa học được trình diễn trước đám đông
Các chuyến bay đầu tiên diễn ra trước những đám đông lớn, với vé được bán từ trước dù thời gian và địa điểm đôi khi chưa rõ. Công chúng đến để xem con người tách khỏi mặt đất, còn các nhà tổ chức muốn chứng minh những định luật về khí bằng một vật thể ai cũng có thể nhìn thấy. Vì vậy, mỗi lần phóng vừa là thí nghiệm vật lý vừa là một sự kiện xã hội. [1]
Báo chí, thư từ, sách nhỏ và tranh khắc đồng giúp hình ảnh khí cầu lan nhanh trong và ngoài Paris. Tranh thường nhấn mạnh màu sắc, đám đông và khoảnh khắc nguy hiểm; một số còn vẽ thùng tạo hydro hoặc thiết bị liên quan để tạo cảm giác chính xác. Người xem có thể nhận ra bằng mắt rằng khí cầu hydro nhỏ hơn khinh khí cầu khí nóng, nhưng không phải ai cũng đến để học vật lý. Nhiều người chỉ muốn chứng kiến cảnh bay và chia sẻ cảm giác kinh ngạc với cả đám đông. [1]
Khi khinh khí cầu trở thành cơn sốt
Đến cuối năm 1783, “balloonomania”, hay cơn sốt khinh khí cầu, đã lan rộng. Hình ảnh khí cầu xuất hiện trên quần áo, đồ trang sức, đồ sứ, rèm cửa và giấy dán tường. Sự phổ biến ấy cho thấy một công nghệ mới không chỉ được đánh giá bằng công dụng thực tế; nó còn trở thành biểu tượng của trí tưởng tượng và tiến bộ. [1]
Tuy nhiên, cuộc đua cũng cho thấy ranh giới giữa trình diễn táo bạo và nguy hiểm. Năm 1785, Pilâtre de Rozier thử một thiết kế kết hợp khí nóng với hydro để bay qua eo biển Manche theo hướng ngược lại. Khí cầu bốc cháy gần bờ, khiến ông và người đi cùng thiệt mạng. Sau những thành công đầu tiên, tai nạn ấy nhắc rằng không khí và khí nhẹ có thể nâng con người lên, nhưng chúng vẫn là những vật chất khó kiểm soát. Di sản của năm 1783 vì thế nằm ở cả giấc mơ bay lẫn bài học về giới hạn của kỹ thuật. [1]