Bạn có biết rằng công nghệ hạt nhân đã được sử dụng trong do thám vũ trụ ngay từ thời điểm ban đầu con người tiến vào vũ trụ? Đúng vậy – năng lượng hạt nhân đã được sử dụng để cung cấp năng lượng cho các thí nghiệm, các vệ tinh và vệ tinh do thám vũ trụ. Một ngày nào đó, nó có thể được sử dụng để đẩy tàu vũ trụ có người lái tới các hành tinh khác. Hãy cùng nhìn lại 3 loại công nghệ do thám vũ trụ sử dụng công nghệ hạt nhân.
RTG
Loại công nghệ này có một cái tên rất dài: Radioisotopic Thermal Gennerator tạm dịch là máy phát nhiệt phóng xạ – được giải thích như sau: nhiệt lượng sinh ra từ quá trình phân rã của các vật liệu phóng xạ được sử dụng trực tiếp để tạo ra điện năng nhờ hiện tượng được gọi là “hiệu ứng nhiệt điện (thermoelectric effect)”. Hiệu ứng này đơn giản là việc tạo ra điện thế khi hai dây dẫn làm từ vật liệu khác nhau được nối với nhau và bị đốt nóng. Điện năng được sinh ra từ hiệu ứng này không nhiều, nhưng nó có thể tạo ra lượng điện năng ổn định trong một khoảng thời gian tương đối dài. Đó là lý do tại sao nguồn năng lượng này có ích cho các chuyến do thám dài ngày – như đã được sử dụng cho các vệ tinh do thám Pioneer để chụp ảnh sao Thổ trong những năm 1970.
Thiết bị SNAP-27 đã được mang tới mặt trăng trong xứ mệnh Apollo
Tàu Apollo 12, trong các xứ mệnh Apollo hạ cánh xuống mặt trăng, đã mang theo một hệ thống phát điện kiểu này có tên là SNAP-27 (Systems for Nuclear Auxilary Power) tới mặt trăng để cấp điện cho các trạm khoa học con lại trên mặt trăng. Những trạm này chứa rất nhiều các đầu đo cảm ứng mà có thể truyền dữ liệu cho các nhà khoa học ở trái đất. Một bộ phát SNAP-27 cung cấp khoảng 60W điện và được cho là có thể duy trì cấp điện cho các trạm này khoảng 5 năm. Tất cả các trạm khoa học, được biết với cái tên “ALSEP (Apollo Lunar Surface Experiment Package)” đã được ngắt hoạt động từ trái đất trong năm 1977 sau khi xứ mệnh của chương trình Apollo kết thúc.
Vệ tinh Nimbus-B thời tiết sử dụng hệ SNAP-19
Các thiết bị RTG cũng đã được sử dụng trên các vệ tinh quỹ đạo quay quanh trái đất. Trên hình là một vệ tinh do thám thời tiết, được sử dụng để chụp ảnh các đám mây và các cấu trúc của cơn bão. Vệ tinh này, có tên là Nimbus-B, có các tấm pin mặt trời là nguồn cấp điện chính và còn được trang bị hai thiết bị RTG, có tên là SNAP-19 với công suất 30W mỗi thiết bị. Hai thiết bị RTG này chỉ cung cấp điện trong vòng 1 năm; những chiếc vệ tinh ban đầu như này được phóng lên vào những năm 1960, về cơ bản không tồn tại được lâu. Các vệ tinh ngày nay tốt hơn nhiều.
Đồng vị phóng xạ được sử dụng ban đầu là Plutonium-238 (Pu-238), sau đó nó được thay bởi Americium-241 (Am-241); giống như Pu-238, Am-241 là chất phóng xạ phát hạt alpha (He-4) tinh khiết do vậy việc che chắn phóng xạ cho nguồn Am-241 là dễ dàng đạt được. Mặc dù hoạt độ của Am-241 thấp hơn 4 lần so với Pu-238 và có cùng hệ số thất thoát nhiệt tương đương nhau, nhưng lợi thế lớn nhất của nguồn Am-241 so với Pu-238 đó là dễ dàng tách được Am-241 trực tiếp bằng phương pháp hóa học mà không cần đến bước chiếu xạ hạt nhân trung gian. Lợi thế này đã cung cấp một nguồn đồng vị phóng xạ dồi dào cho các hệ RTG.
Các hệ thống lò phản ứng dùng cho tàu vũ trụ
Một số nhiệm vụ là quá lớn so với khả năng của các hệ RTG; chúng đòi hỏi một nguồn điện năng lớn hơn nhiều so với khả năng cung cấp của một hệ RTG và có thể duy trì trong khoảng thời gian dài. Điều này đòi hỏi thiết bị cỡ các lò phản ứng được sử dụng trong các nhà máy điện hạt nhân – nơi chứa và duy trì các phản ứng phân hạch. Các lò phản ứng cỡ như vậy sẽ là một nguồn năng lượng hữu dụng trong một chuyến hành trình xứ mệnh đổ bộ, giả dụ như bay tới sao Hỏa – nơi mà các nhà du hành cần dự trữ thức ăn và nước và cần liên lạc về trái đất .
Hệ thống SNAP-10A nguyên mẫu đầu tiên được phóng vào vũ trụ
Hệ thống lò phản ứng đầu tiên được phóng vào vũ trụ có tên là SNAP-10A vào năm 1965. Hệ thống này sử dụng Natri lỏng là chất tải nhiệt cho vùng hoạt và sau đó được đưa qua các bộ chuyển đổi năng lượng – có nguyên lý hoạt động giống như của hệ RTG.
Nguyên lý hoạt động của hệ SNAP-10A
Sơ đồ trên minh họa nguyên lý hoạt động của SNAP-10A. Các bộ chuyển đổi năng lượng nằm ở góc phía dưới bên phải bức hình. Mặc dù việc thử nghiệm SNAP-10A thất bại sau 43 ngày do bộ chuyển đổi hiệu điện thế kém trên tàu vũ trụ, một phiên bản tương tự được thử nghiệm trên trái đất đã hoạt động trên một năm. “NaK” là hỗn hợp được dùng để thay thế cho Na lỏng – được đọc là “NACK”. Tên này xuất phát từ các ký tự của Na và K.
Hệ SNAP-10A trước khi được phóng vào vũ trụ
Trên hình là thiết bị SNAP-10A trước khi được phóng. Nó nhỏ hơn bạn nghĩ! Lò phản ứng được sử dụng ở đây tạo ra nguồn điện 500W – xấp xỉ công suất của một máy sấy tóc – nhưng là đủ để cấp cho các hệ hống trên các vệ tinh hoặc tàu do thám nhỏ. Các phiên bản sau này, hầu hết chưa hề được xây dựng, được cho là sẽ có công suất cao hơn. Quá trình nghiên cứu đã được thực hiện trở lại sau đó, đang được xem xét trở lại như kế hoạch du hành vũ trụ.
Động cơ đẩy tàu vũ trụ sử dụng năng lượng hạt nhân
Thậm chí năng lượng hạt nhân còn có thể được dùng trong các tên lửa đẩy tàu vũ trụ. Ý tưởng ở đây là đưa các dòng khí đi qua một lò phản ứng vô cùng nóng, và sau đó để dòng khí thoát ra bên ngoài thông qua một các lỗ ở phía đuôi tên lửa. Dòng khí sẽ đẩy tàu vũ trụ tiến lên. Thông thường các tên lửa đẩy sử dụng các nhiên liệu hóa học, nhưng việc mang đủ nhiên liệu cho một xứ mệnh lâu dài sẽ trở nên cồng kềnh. Một lò phản ứng được lắp đặt với tất cả nhiên liệu đã được nạp vào vùng hoạt sẽ loại bỏ các thùng lớn chứa nhiên liệu và chất ôxi hóa kia. Điều này có nghĩa là tất cả các tên lửa đẩy chỉ cần dự trữ khí nén để đẩy ra bên ngoài. Điều này sẽ dễ dàng hơn nhiều và ngọn nhẹ trong việc lưu trữ.
Mô hình tên lửa đẩy sử dụng nhiên liệu hạt nhân
Hình trên minh họa tàu vũ trụ sử dụng tên lửa đẩy năng lượng hạt nhân. Thân của tên lửa (chứa nhà du hành vũ trụ, hệ thí nghiệm và thực phẩm) nằm phía trên bên ngoài bức hình. Các thùng hình cầu chứa khí nén được đặt gần phần đuôi của tên lửa, trong khi lò phản ứng được đặt trong vỏ hình trụ ngay phía trên các lỗ phụt dòng khí ra ngoài. Những tên lửa kiểu này sẽ có lực đẩy yếu hơn các tên lửa cỡ lớn sử dụng nhiên liệu hóa học như Saturn-V hoặc tàu con thoi đã sử dụng, tuy nhiên ở ngoài không gian không có lực cản gây bởi không khí do vậy bạn không cần lực đẩy mạnh. Hầu hết các kế hoạch đều mô tả sử dụng các tên lửa cỡ lớn ở tầng thứ nhất và thứ hai để có thể đẩy tàu vũ trụ đi vào quỹ đạo hoặc thoát khỏi quỹ đạo trái đất, và sau đó sử dụng tên lửa năng lượng hạt nhân để đẩy con tàu và các nhà du hành tới đích và sau đó quay trở lại trái đất.
Đoàn Mạnh Long, Phòng Giáo vụ và Đào tạo
Nguồn: http://ansnuclearcafe.org/2018/10/16/nuclear-technology-in-space-national-nuclear-science-week-2018/#sthash.0cG3cUvd.dpbs