Nhân loại ngày nay đã
sẵn sàng bước vào kỷ nguyên du hành vũ trụ tới sao Hỏa, Hệ mặt trời và hơn thế
nữa, trong đó năng lượng hạt nhân và các công nghệ liên quan hứa hẹn sẽ giúp
thực hiện các sứ mệnh liên hành tinh nhanh hơn, hiệu quả hơn và tiết kiệm hơn.
Đây là kết luận của nhóm chuyên gia quốc tế tại Hội thảo trực tuyến do IAEA tổ
chức vào tháng 2/2022 “Nguyên tử phục vụ du hành không gian: Hệ thống hạt nhân
giúp khám phá vũ trụ”. Các chuyên gia đồng ý rằng những tiến bộ về công nghệ
kiểm soát quá trình phân hạch và phản ứng tổng hợp hạt nhân đóng vai trò không
thể thiếu đối với lĩnh vực du hành vũ trụ, đồng thời nhấn mạnh năng lượng hạt
nhân có thể cung cấp điện cho các hệ thống, thiết bị đo đạc trên tàu vũ trụ và
khả năng tồn tại lâu dài của con người trên các hành tinh trong Hệ mặt trời.
Ông Mikhail Chudakov,
Phó Tổng giám đốc IAEA kiêm Trưởng ban Năng lượng hạt nhân cho biết: “Công nghệ
hạt nhân từ lâu đã đóng vai trò quan trọng trong các sứ mệnh khám phá vũ trụ”.
“Các sứ mệnh trong tương lai có thể dựa vào các hệ thống chạy bằng năng lượng
hạt nhân để có nhiều ứng dụng rộng rãi hơn. Con đường tới các vì sao chạy qua
nguyên tử”. Sự phân hạch hạt nhân sinh ra năng lượng và các phản ứng tổng hợp
hạt nhân giải phóng năng lượng đó. Các nhà khoa học tham gia Hội thảo đã được
nghe các bài trình bày về các hệ thống sử dụng nguyên lý của cả quá trình phân
hạch và tổng hợp hạt nhân để đẩy tàu vũ trụ, năng lượng sử dụng khi ở ngoài
trái đất và cho các hệ thống trên tàu vũ trụ.
Động cơ của tàu vũ trụ
Tên lửa mang tàu vũ trụ
được phóng từ Trái đất phụ thuộc vào nhiên liệu hóa học. Tuy nhiên, khi đã ở
quỹ đạo ngoài trái đất, năng lượng hạt nhân được sử dụng để cung cấp cho các
động cơ đẩy tàu vũ trụ đi ngoài không gian. Ông William Emrich, cựu Kỹ sư
trưởng Dự án tại NASA, cho biết: “Các sứ mệnh liên hành tinh trong tương lai
gần như chắc chắn yêu cầu các hệ thống động cơ đẩy có mức hiệu suất vượt xa so
với các động cơ hóa học tốt nhất hiện nay. Và động cơ đẩy nhiệt hạt nhân (NTP) chính
là ứng viên chắc chắn được sử dụng cho du hành vũ trụ”.
Trong NTP, lò phản ứng
phân hạch hạt nhân sẽ làm nóng chất đẩy dạng lỏng, như hydro. Nhiệt chuyển đổi
từ pha lỏng thành khí đưa qua một hệ thống phun để cung cấp lực đẩy đẩy tàu vũ
trụ. Ưu điểm của NTP là các tàu vũ trụ sẽ cần ít nhiên liệu hơn khi bay trong
không gian và động cơ NTP sẽ giảm thời gian di chuyển của tàu (thời gian di
chuyển đến sao Hỏa nhanh hơn 25% so với tên lửa hóa học truyền thống). Việc
giảm thời gian di chuyển trong không gian làm giảm mức độ tiếp xúc của các phi
hành gia với bức xạ vũ trụ.
Động cơ đẩy sử dụng điện
hạt nhân (NEP) cũng là một loại công nghệ sử dụng nguyên lý tạo lực đẩy nhờ
cách chuyển đổi nhiệt năng từ lò phản ứng hạt nhân thành năng lượng điện, loại
bỏ các yêu cầu và hạn chế của NTP liên quan đến việc tích trữ chất phóng điện
trên tàu. Trong NEP, lực đẩy thấp hơn nhưng đảm bảo tính liên tục và hiệu suất
nhiên liệu lớn hơn, dẫn đến tốc độ tàu cao hơn và có khả năng giảm hơn 60% thời
gian di chuyển đến sao Hỏa so với tên lửa hóa học truyền thống.
Ông Hui Du từ Viện Kỹ
thuật Hệ thống Tàu vũ trụ Bắc Kinh cho biết: “Đối với các sứ mệnh không gian
cần năng lượng điện cao, như sứ mệnh đến sao Hỏa hoặc du hành không gian, thì
hệ thống điện dựa trên lò phản ứng phân hạch có thể là lựa chọn rất cạnh
tranh”. Nghiên cứu của Học viện Công nghệ Không gian Trung Quốc năm 2015 cho
thấy các sứ mệnh trên sao Hỏa của con người sẽ không khả thi nếu không có các
lò phản ứng hạt nhân đặt trong không gian.
Một hệ thống NEP đang
được phát triển bởi Công ty Tên lửa Ad Astra, cụ thể là cho Tên lửa kích xung
Magnetoplasma (VASIMR). Đây là một loại tên lửa plasma trong đó điện trường sẽ
đốt nóng và tăng tốc chất đẩy, tạo thành plasma và từ trường hướng plasma theo
hướng thích hợp với hướng đẩy của động cơ, tạo ra lực đẩy cho tàu vũ trụ. Không
giống như NEP truyền thống, thiết kế VASIMR sẽ cho phép xử lý được lượng điện
năng lớn trong khi vẫn giữ hiệu suất nhiên liệu cao, đặc trưng của tên lửa
điện. Franklin Chang Díaz, Giám đốc điều hành của Công ty Tên lửa Ad Astra cho
biết: “Trong kế hoạch ngắn hạn, chúng tôi hình dung động cơ VASIMR sẽ hỗ trợ
một loạt các ứng dụng năng lượng cao từ điện mặt trời đến điện hạt nhân trong
không gian”. Ông nói thêm: “Về lâu dài, VASIMR có thể là tiền thân của tên lửa
nhiệt hạch trong tương lai”.
Tên lửa nhiệt hạch, như
khái niệm lò phản ứng cấu hình đảo ngược trường Princeton đang được phát triển
tại Phòng thí nghiệm Vật lý Plasma Princeton, sẽ có lợi thế tạo ra phản ứng nhiệt hạch trực tiếp (DFD), chuyển đổi
năng lượng của các hạt mang điện trong phản ứng nhiệt hạch thành lực đẩy cho
tàu vũ trụ. Bà Stephanie Thomas, Phó chủ tịch Hệ thống Princeton Satellite, cho
biết: DFD có thể phục vụ các nhiệm vụ tăng cường vào không gian, các nhiệm vụ
trên sao Hỏa và Mặt Trăng của con người. Bà cũng giải thích rằng DFD có thể có
lợi thế vì kích thước nhỏ và cần rất ít nhiên liệu – chỉ một vài kg cũng có thể
cung cấp năng lượng cho một tàu vũ trụ trong 10 năm.
Năng lượng điện khi ở
ngoài trái đất
Lò phản ứng hạt nhân có
thể được sử dụng để cung cấp cho các phi hành gia một nguồn năng lượng điện tin
cậy khi thực hiện các nhiệm vụ thăm dò kéo dài trong nhiều thập kỷ trên các
hành tinh mà không cần tiếp nhiên liệu. Các thiết kế của lò phản ứng hạt nhân
sử dụng cho các sứ mệnh đó là các lò phản ứng siêu nhỏ, cho phép cung cấp hàng
chục kW điện. Trọng tâm nghiên cứu, phát triển hiện nay là sử dụng nhiên liệu
urani làm giàu thấp nhưng có khả năng khảo nghiệm cao. Ông Anthony Calomino,
Giám đốc Bộ phận Công nghệ Hạt nhân Vũ trụ của NASA cho biết: “Trọng tâm ưu
tiên của NASA vẫn là thiết kế, sản xuất và thử nghiệm hệ thống năng lượng hạt
nhân sử dụng urani làm giàu thấp cho các ứng dụng phục vụ sứ mệnh khám phá Mặt
Trăng cũng như sứ mệnh tới sao Hỏa, có thể mở rộng mức công suất trên 100 kW
điện, thúc đẩy nhu cầu hệ thống NEP”. Ông Vivek Lall, Giám đốc điều hành của
General Atomics Global Corporation, cho biết: “Việc sử dụng các lò phản ứng hạt
nhân là điều không thể tránh khỏi đối với cả động cơ đẩy tàu vũ trụ và năng
lượng điện khi ở ngoài Trái đất”.
Năng lượng điện cho các
hệ thống thiết bị trên tàu vũ trụ
Bên cạnh việc sử dụng
các động cơ đẩy, tàu vũ trụ còn cần năng lượng điện để duy trì các hệ thống
thiết bị vận hành và hỗ trợ sự sống cho các phi hành gia, thông tin liên lạc và
các máy móc phần cứng khác. Trước đó, máy phát nhiệt điện sử dụng đồng vị phóng
xạ (RTG) cung cấp năng lượng cho tàu vũ trụ Voyager trong vài thập kỷ, được
đánh giá là có tiềm năng trong việc cung cấp điện lâu dài cho các hệ thống trên
tàu vũ trụ trong tương lai.
Các giải pháp cho động
cơ đẩy tàu vũ trụ dựa trên công nghệ hạt nhân trong tương lai, chẳng hạn như
DFD, cũng có thể sử dụng để cung cấp điện. Ông Thomas cho biết: “Các nghiên cứu
của chúng tôi cho thấy rằng động cơ tên lửa nhiệt hạch truyền động trực tiếp có
thể đồng thời tạo ra cả năng lượng điện và lực đẩy với hiệu suất tốt từ một
động cơ duy nhất”.
Theo: Cục NLNT