Fatima Ebrahimi
và ý tưởng về tên lửa đẩy plasma tái kết nối từ đang hoạt động (Ảnh: Elle
Starkman/ PPPL Office of Communications / ITER)
Trong 64 năm qua, đã có những
thành công đáng kể với các vệ tinh và tàu thăm dò robot nhưng chúng tương đối
nhỏ, với trọng lượng nặng nhất là tàu chở hàng ATV đầy tải trọng nặng 20.293 kg
và tàu này chỉ đi vào quỹ đạo trái đất thấp. Tàu thăm dò không gian sâu lớn nhất
là sứ mệnh Cassini-Huygens tới sao Thổ có trọng lượng 5.655 kg.
Lý do là vì trở ngại lớn nhất để
loài người trở thành một loài du hành không gian thực thụ là động cơ được sử
dụng để đẩy tàu vũ trụ xuyên qua hệ mặt trời và xa hơn nữa. Tên lửa hóa học có
thể tạo ra một lực đẩy ấn tượng nhưng có xung lực riêng rất nhỏ. Có nghĩa là
chúng không thể đốt cháy được bao lâu trước khi hết thuốc phóng. Hệ thống đẩy
điện, như động cơ đẩy Hall, thì ngược lại. Chúng chỉ tạo ra lực đẩy chỉ ngang
trọng lượng của một đồng xu nhỏ nhưng chúng có thể chạy trong nhiều tháng chứ
không phải vài phút, vì vậy chúng có thể (từ từ) tích lũy thành tốc độ lớn.
Không may, cả hai đều không khả
thi để chở các phi hành gia lên sao Hỏa trên tàu nặng hàng chục, nếu không phải
hàng trăm tấn. Một động cơ có thể khởi hành nhanh và động cơ kia khởi hành chậm,
nhưng cả hai đều mang lại một chuyến đi dài và nguy hiểm trong nhiều tháng, nếu
không nói là nhiều năm. Cả hai phương pháp động cơ đẩy cơ bản này đều có ưu điểm
và nhược điểm riêng nhưng điều thực sự cần thiết, ít nhất trong ngắn hạn, là
cách kết hợp các đặc tính của cả hai. Lý tưởng nhất là một động cơ có lực đẩy
cao hơn và xung lực riêng lớn hơn.
Ý tưởng mới của Đại học
Princeton vận hành bằng cách sử dụng cùng một cơ chế giúp thổi bay các vết lóa
mặt trời ra khỏi Mặt trời. Những vết lóa này bao gồm các nguyên tử và hạt tích
điện được gọi là plasma bị mắc kẹt bên trong các từ trường mạnh, nơi diễn ra các
tương tác phức tạp.
Đối với các hệ thống đẩy,
Ebrahimi đặc biệt quan tâm đến một loại tương tác được gọi là tái kết nối từ
tính mà ở đó từ trường trong đám plasma điện tích cao tự tái cấu trúc để hội tụ,
phân tách và tái hội tụ. Khi làm như vậy, chúng tạo ra một lượng lớn động năng,
nhiệt năng và gia tốc hạt. Đó là một hiện tượng không chỉ được nhìn thấy trên
mặt trời mà còn trong bầu khí quyển của trái đất và bên trong các lò phản ứng
nhiệt hạch Tokamak.
Nói một cách tổng quát, động cơ
đẩy từ tính tương tự như động cơ đẩy ion đang ngày càng trở nên phổ biến trên
tàu vũ trụ. Chúng vận hành bằng cách nạp điện cho một chất đẩy được tạo thành từ
các nguyên tử nặng như xenon và sau đó tăng tốc chúng bằng cách sử dụng một điện
trường. Đối với động cơ đẩy ý tưởng mới, từ trường làm nhiệm vụ tăng tốc.
Cho đến nay, các mô phỏng máy
tính của máy tính PPPL và Trung tâm Điện toán Khoa học Nghiên cứu Năng lượng
Quốc gia tại Phòng thí nghiệm Quốc gia Lawrence Berkeley ở Berkeley, California
của Mỹ đã chứng minh được rằng một động cơ đẩy tái kết nối từ tính có thể tạo ra
vận tốc xả nhanh hơn 10 lần so với vận tốc của các hệ thống đẩy điện hiện tại.
“Việc di chuyển đường dài mất
nhiều tháng hoặc nhiều năm vì xung lực riêng của động cơ tên lửa hóa học rất
thấp, do đó, tàu phải mất một khoảng thời gian mới có thể đạt đủ tốc độ. Nhưng
nếu chế tạo động cơ đẩy dựa trên sự tái kết nối từ trường thì chúng ta có thể
hình dung khả năng hoàn thành các sứ mệnh đường dài trong một khoảng thời gian
ngắn hơn”, Ebrahimi cho biết.
Ngoài việc cắt giảm thời gian di
chuyển, ý tưởng động cơ đẩy mới còn có khả năng điều tiết bằng cách tinh chỉnh
từ trường. Ngoài ra, các động cơ đẩy không chỉ bắn ra plasma mà còn cả plasmoid,
vốn là những quả bóng plasma nằm bên trong bong bóng từ tính, làm tăng thêm sức
mạnh. Ngoài ra, động cơ đẩy cũng không lệ thuộc vào các nguyên tố nặng để làm
chất đẩy và có thể được nạp bằng những nguyên tố nhẹ hơn, rẻ hơn.
“Trong khi các động cơ đẩy khác
yêu cầu khí nặng, được làm từ các nguyên tử như xenon thì trong ý tưởng này, bạn
có thể sử dụng bất kỳ loại khí nào bạn muốn”, Ebrahimi cho biết thêm.
LH (PPPL)