Kỷ nguyên khám phá không gian mới đằng sau động cơ tên lửa nhiệt hạch

2024 Tác giả: Seth Attwood | [email protected]. Sửa đổi lần cuối: 2023-12-16 16:20

Giấc mơ của NASA và Elon Musk về sao Hỏa, và các sứ mệnh không gian sâu có người lái sẽ sớm trở thành hiện thực. Bạn có thể sẽ ngạc nhiên, nhưng tên lửa hiện đại bay nhanh hơn một chút so với tên lửa của quá khứ.

Các tàu vũ trụ chạy nhanh thuận tiện hơn vì nhiều lý do, và cách tốt nhất để tăng tốc là sử dụng tên lửa chạy bằng năng lượng hạt nhân. Chúng có nhiều ưu điểm hơn tên lửa chạy bằng nhiên liệu thông thường hay tên lửa chạy bằng năng lượng mặt trời hiện đại, nhưng trong 40 năm qua, Mỹ chỉ phóng 8 tên lửa chạy bằng năng lượng hạt nhân.

Tuy nhiên, trong năm qua, luật liên quan đến du hành vũ trụ hạt nhân đã thay đổi và công việc nghiên cứu thế hệ tên lửa tiếp theo đã bắt đầu.

Tại sao tốc độ là cần thiết?

Ở giai đoạn đầu tiên của bất kỳ chuyến bay nào vào không gian, cần có một phương tiện phóng - nó đưa con tàu vào quỹ đạo. Những động cơ lớn này chạy bằng nhiên liệu dễ cháy - và thông thường khi phóng tên lửa, chúng đều có ý nghĩa. Chúng sẽ không sớm đi đâu cả - lực hấp dẫn cũng vậy.

Nhưng khi con tàu đi vào không gian, mọi thứ trở nên thú vị hơn. Để vượt qua lực hấp dẫn của Trái đất và đi vào không gian sâu, con tàu cần thêm gia tốc. Đây là lúc các hệ thống hạt nhân phát huy tác dụng. Nếu các phi hành gia muốn khám phá thứ gì đó ngoài Mặt trăng hoặc thậm chí xa hơn là Sao Hỏa, họ sẽ phải nhanh chóng. Vũ trụ rất lớn và khoảng cách cũng khá lớn.

Có hai lý do tại sao tên lửa nhanh phù hợp hơn cho việc du hành vũ trụ đường dài: an toàn và thời gian.

Trên đường đến sao Hỏa, các phi hành gia phải đối mặt với mức phóng xạ rất cao, gặp nhiều vấn đề sức khỏe nghiêm trọng, bao gồm ung thư và vô sinh. Che chắn bức xạ có thể giúp ích, nhưng nó cực kỳ nặng và nhiệm vụ càng dài thì càng cần phải che chắn mạnh mẽ hơn. Do đó, cách tốt nhất để giảm liều bức xạ đơn giản là đến đích nhanh hơn.

Nhưng sự an toàn của phi hành đoàn không phải là lợi ích duy nhất. Các chuyến bay xa hơn chúng tôi lên kế hoạch, chúng tôi cần dữ liệu từ các nhiệm vụ không người lái càng sớm. Voyager 2 đã mất 12 năm để đến được Sao Hải Vương - và khi nó bay ngang qua, nó đã chụp được một số bức ảnh đáng kinh ngạc. Nếu Voyager có một động cơ mạnh hơn, những bức ảnh và dữ liệu này sẽ xuất hiện trong các nhà thiên văn học sớm hơn nhiều.

Vì vậy, tốc độ là một lợi thế. Nhưng tại sao các hệ thống hạt nhân lại nhanh hơn?

Hệ thống ngày nay

Sau khi vượt qua được lực hấp dẫn, con tàu phải xem xét ba khía cạnh quan trọng.

Đẩy- gia tốc mà tàu sẽ nhận được.

Hiệu quả trọng lượng- lực đẩy mà hệ thống có thể tạo ra đối với một lượng nhiên liệu nhất định.

Tiêu thụ năng lượng cụ thể- năng lượng mà một lượng nhiên liệu nhất định tỏa ra.

Ngày nay, động cơ hóa học phổ biến nhất là tên lửa chạy bằng nhiên liệu thông thường và tên lửa điện chạy bằng năng lượng mặt trời.

Hệ thống đẩy hóa học cung cấp nhiều lực đẩy, nhưng không hiệu quả đặc biệt, và nhiên liệu tên lửa không tiêu tốn nhiều năng lượng. Tên lửa Saturn 5 chở các phi hành gia lên mặt trăng có lực lượng 35 triệu Newton khi cất cánh và mang theo 950.000 gallon (4.318.787 lít) nhiên liệu. Hầu hết trong số đó là việc đưa tên lửa vào quỹ đạo, vì vậy những hạn chế là rõ ràng: bạn đi bất cứ đâu, bạn cần rất nhiều nhiên liệu nặng.

Hệ thống đẩy điện tạo ra lực đẩy bằng cách sử dụng điện từ các tấm pin mặt trời. Cách phổ biến nhất để đạt được điều này là sử dụng điện trường để tăng tốc các ion, chẳng hạn như trong một máy đẩy cảm ứng Hall. Các thiết bị này được sử dụng để cung cấp năng lượng cho các vệ tinh, và hiệu suất về trọng lượng của chúng gấp 5 lần so với các hệ thống hóa học. Nhưng đồng thời chúng tạo ra lực đẩy ít hơn nhiều - khoảng 3 Newton. Điều này chỉ đủ để tăng tốc chiếc xe từ 0 đến 100 km một giờ trong khoảng hai giờ rưỡi. Mặt trời về bản chất là một nguồn năng lượng không đáy, nhưng con tàu càng di chuyển ra xa nó thì nó càng ít hữu ích.

Một trong những lý do tại sao tên lửa hạt nhân đặc biệt hứa hẹn là cường độ năng lượng đáng kinh ngạc của chúng. Nhiên liệu uranium được sử dụng trong lò phản ứng hạt nhân có hàm lượng năng lượng gấp 4 triệu lần hydrazine, một loại nhiên liệu tên lửa hóa học điển hình. Và việc đưa một số uranium vào không gian dễ dàng hơn nhiều so với hàng trăm nghìn gallon nhiên liệu.

Điều gì về lực kéo và trọng lượng hiệu quả?

Hai lựa chọn hạt nhân

Đối với du hành vũ trụ, các kỹ sư đã phát triển hai loại hệ thống hạt nhân chính.

Đầu tiên là động cơ nhiệt hạch. Các hệ thống này rất mạnh mẽ và hiệu quả cao. Họ sử dụng một lò phản ứng phân hạch hạt nhân nhỏ - giống như lò phản ứng trên tàu ngầm hạt nhân - để đốt nóng một loại khí (như hydro). Khí này sau đó được tăng tốc qua vòi tên lửa để cung cấp lực đẩy. Các kỹ sư NASA đã tính toán rằng chuyến đi tới sao Hỏa sử dụng động cơ nhiệt hạch sẽ nhanh hơn tên lửa với động cơ hóa học 20-25%.

Động cơ nhiệt hạch hiệu quả hơn gấp đôi so với động cơ hóa học. Điều này có nghĩa là chúng cung cấp lực đẩy gấp đôi cho cùng một lượng nhiên liệu - lực đẩy lên tới 100.000 Newton. Điều này đủ để tăng tốc chiếc xe lên tốc độ 100 km một giờ trong khoảng một phần tư giây.

Hệ thống thứ hai là động cơ tên lửa điện hạt nhân (NEPE). Chưa có cái nào trong số này được tạo ra, nhưng ý tưởng là sử dụng một lò phản ứng phân hạch mạnh để tạo ra điện, sau đó sẽ cung cấp năng lượng cho một hệ thống đẩy điện như động cơ Hall. Điều đó sẽ rất hiệu quả - hiệu quả hơn khoảng ba lần so với động cơ nhiệt hạch. Vì sức mạnh của một lò phản ứng hạt nhân là rất lớn, một số động cơ điện riêng biệt có thể hoạt động cùng một lúc, và lực đẩy sẽ trở thành chất rắn.

Động cơ tên lửa hạt nhân có lẽ là lựa chọn tốt nhất cho các nhiệm vụ tầm xa: chúng không cần năng lượng mặt trời, rất hiệu quả và cung cấp lực đẩy tương đối cao. Nhưng đối với tất cả bản chất đầy hứa hẹn của chúng, hệ thống đẩy năng lượng hạt nhân vẫn còn rất nhiều vấn đề kỹ thuật sẽ phải được giải quyết trước khi đưa vào hoạt động.

Tại sao vẫn không có tên lửa chạy bằng năng lượng hạt nhân?

Động cơ nhiệt hạch đã được nghiên cứu từ những năm 1960, nhưng chúng vẫn chưa bay vào vũ trụ.

Theo hiến chương của những năm 1970, mỗi dự án vũ trụ hạt nhân được xem xét riêng biệt và không thể tiến xa hơn nếu không có sự chấp thuận của một số cơ quan chính phủ và chính tổng thống. Cùng với việc thiếu kinh phí cho việc nghiên cứu các hệ thống tên lửa hạt nhân, điều này đã cản trở việc phát triển thêm các lò phản ứng hạt nhân để sử dụng trong không gian.

Nhưng tất cả đã thay đổi vào tháng 8 năm 2019 khi chính quyền Trump ban hành bản ghi nhớ tổng thống. Trong khi nhấn mạnh về sự an toàn tối đa của các vụ phóng hạt nhân, chỉ thị mới vẫn cho phép thực hiện các nhiệm vụ hạt nhân với lượng chất phóng xạ thấp mà không cần phê duyệt liên ngành phức tạp. Xác nhận của cơ quan tài trợ như NASA rằng sứ mệnh tuân thủ các khuyến nghị an toàn là đủ. Các nhiệm vụ hạt nhân lớn được thực hiện theo các thủ tục tương tự như trước đây.

Cùng với việc sửa đổi các quy tắc này, NASA đã nhận được 100 triệu đô la từ ngân sách năm 2019 cho việc phát triển động cơ nhiệt hạch. Cơ quan Dự án Nghiên cứu Tiên tiến Quốc phòng cũng đang phát triển một động cơ không gian nhiệt hạch cho các hoạt động an ninh quốc gia ngoài quỹ đạo Trái đất.

Sau 60 năm đình trệ, rất có thể tên lửa hạt nhân sẽ đi vào vũ trụ trong vòng một thập kỷ. Thành tựu đáng kinh ngạc này sẽ mở ra một kỷ nguyên khám phá không gian mới. Con người sẽ lên sao Hỏa, và các thí nghiệm khoa học sẽ dẫn đến những khám phá mới trên khắp hệ mặt trời và hơn thế nữa.