SỞ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ TỈNH TÂY NINH
Công nghệ hạt nhân cung cấp năng lượng phục vụ du hành vũ trụ trong tương lai
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 02/2022 “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.
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”.
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.
Tàu Perseverance của NASA
Động cơ của tàu vũ trụTên 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”.
Chu Minh Dương, Phòng Quản lý KH&CN hạt nhân (biên dịch) - Nguồn: iaea.org
Tác giả: Quản trị Quản trị
Ý kiến bạn đọc
Bạn cần đăng nhập với tư cách là Thành viên chính thức để có thể bình luận
Danh mục
Thống kê truy cập
- Đang truy cập15
- Hôm nay1,884
- Tháng hiện tại81,516
- Tổng lượt truy cập2,836,638
