Hệ thống cung cấp năng lượng là phần cực kỳ quan trọng của tàu vũ trụ. Chúng cần phải hoạt động được trong những điều kiện khắc nghiệt nhất và phải cực kỳ ổn định.
Trong lúc đó, các tàu vũ trụ đời mới với kết cấu phức tạp thì ngày lại càng đòi hỏi ngốn nhiều năng lượng hơn.
Vậy đâu là giải pháp tương lai cho công nghệ năng lượng để vận hành tàu vũ trụ?
Science Photo Library
Một chiếc điện thoại di động đời mới nhất có pin dùng được trong khoảng một ngày mà không cần cắm sạc lại.
Tàu thăm dò không gian Voyager được phóng từ 38 năm trước, giờ vẫn đang từ rìa Hệ Mặt Trời gửi thông tin đều đặn về Trái Đất.
Tàu Voyager có thể xử lý hiệu quả 81.000 lệnh mỗi giây. Nhưng một chiếc điện thoại thông minh hiện thời có thể xử lý nhanh hơn thế gấp 7.000 lần.
Tất nhiên, điện thoại di động của bạn được thiết kế để được sạc thường xuyên, và nó cũng không nằm cách xa ổ cắm sạch tới mấy triệu dặm.
Nhưng để nạp năng lượng lại cho một tàu vũ trụ khi nó nằm cách điểm sạc gần nhất đến 100 triệu dặm, là điều không khả thi.
Nasa
Thay vào đó, tàu vũ trụ phải có khả năng dự trữ hoặc tự tạo ra đủ năng lượng để tiếp tục vận hành nhiều thập niên trong không gian. Mà đó lại là điều khó mà đạt được.
Trong khi một số hệ thống được lắp đặt trên tàu chỉ thỉnh thoảng cần năng lượng để vận hành, thì lại có một số khác lại phải có năng lượng liên tục để duy trì hoạt động.
Chẳng hạn như bộ thu phát tín hiệu luôn phải hoạt động; hệ thống hỗ trợ sự sống và thắp sáng trên tàu vũ trụ có người lái hoặc trạm không gian cũng cần có năng lượng liên tục.
Tiến sĩ Rao Surampudi là giám đốc chương trình công nghệ năng lượng cho Phòng thí nghiệm Jet Propulsion thuộc Học viện Công nghệ California. Trong hơn 30 năm qua, ông đã phát triển chương trình năng lượng cho nhiều tàu vũ trụ của Nasa.
Theo Surampudi, hệ thống năng lượng trên tàu vũ trụ thường chiếm đến 30% khối lượng tàu và có thể chia thành ba phần riêng biệt:
- Máy phát năng lượng
- Bộ phận dự trữ năng lượng
- Khoang quản lý và phân phối năng lượng
Ba hệ thống này cực kỳ quan trọng cho hoạt động của tàu. Chúng cần phải nhẹ, bền và "đầy ắp năng lượng". Chúng phải sản xuất ra cực kỳ nhiều năng lượng dù có kích cỡ nhỏ.
Chúng phải đáng tin cậy, bền, vì chuyện gửi người lên vũ trụ để sửa chữa một khi xảy ra trục trặc gì là điều không khả thi.
Hệ thống không những phải cấp đủ năng lượng cho toàn bộ nhu cầu của tàu, mà còn phải cấp đủ năng lượng cho toàn thời gian hành trình.
Một số nhiệm vụ dài hàng chục năm thậm chí hàng thế kỷ trong tương lai. "Tuổi đời dự định phải dài, vì nếu có sự cố xảy ra, bạn cũng không thể đến tàu để sửa," Surampudi nói.
"Để đến Sao Mộc, ta cần bay từ năm đến bảy năm, bay tới Sao Diêm Vương mất hơn 10 năm, nhưng để ra khỏi Hệ Mặt Trời của chúng ta thì cần từ 20 đến 30 năm," ông nói.
Môi trường khắc nghiệt
Vì hoạt động trong môi trường đặc biệt, hệ thống phát điện trên tàu vũ trụ phải có khả năng thích nghi được trong điều kiện chân không, phi trọng lực, đồng thời phải chịu được phóng xạ cực mạnh (thường hầu hết các loại điện năng không vận hành trong điều kiện này), và chịu được nhiệt độ khắc nghiệt.
"Nếu bạn đáp xuống Sao Kim, nhiệt độ sẽ cao đến khoảng 460 độ C," Surampudi nói. "Nhưng nếu bạn đáp xuống Sao Mộc, nhiệt độ sẽ xuống thấp đến âm 150 độ C."
Với các tàu bay về hướng trung tâm Hệ Mặt Trời, các tấm pin quang năng gắn trên tàu sẽ có được năng lượng mặt trời dồi dào.
Nasa
Các tấm pin mặt trời trên tàu vũ trụ có bề ngoài khá giống với các tấm pin mặt trời được sử dụng trên Trái Đất, nhưng chúng được thiết kế để hoạt động hiệu quả hơn các tấm pin bạn dùng trữ năng lượng tại nhà.
Nhiệt độ tăng cao khi tàu tiến tới gần Mặt Trời có thể khiến các tấm pin bị nóng quá độ. Sự cố này có thể giảm nhẹ bằng cách quay tấm pin mặt trời sang hướng khác, giảm thời gian tiếp xúc với các tia quá nóng.
Nhưng khi tàu vũ trụ bay vào quỹ đạo của một hành tinh, tấm năng lượng mặt trời sẽ trở nên kém hiệu quả.
Chúng sẽ không phát ra được nhiều năng lượng do tác động của nhật thực và do tàu phải bay qua phần bóng tối của hành tinh. Khi đó, cái cần đến chính là một hệ thống tích trữ năng lượng ổn định.
Năng lượng hạt nhân
Một trong các hệ thống tích trữ năng lượng hiệu quả là pin nickel-hydrogen. Loại pin này cho phép sạc đến 50.000 lần và có tuổi thọ đến hơn 15 năm.
Khác với các loại pin dân dụng vốn không hoạt động được trong môi trường không gian, pin loại này được niêm phong kín và có thể hoạt động trong môi trường chân không.
Khi tàu bay xa dần Mặt Trời, bức xạ mặt trời giảm dần từ 1.374 Watts/m² ở khu vực Trái Đất, đến 50 Watts/m² gần Sao Mộc, trong khi gần Diêm Vương Tinh chỉ ít ỏi khoảng 1 Watt/m².
Vì thế, các nhà khoa học tìm cách nghiên cứu hệ thống điện hạt nhân nhằm cấp năng lượng cho tàu trong các hành trình bay tới bên ngoài khu vực Sao Mộc,
Loại phổ biến nhất là Máy phát điện Đồng vị phóng xạ Nhiệt điện (gọi tắt là máy RTG).
Máy phát này được dùng trên tàu Voyager, Cassini và Curiosity Rover.
Đây là các thiết bị ở thể nguyên khối, không có các bộ phận chuyển động bên trong.
Chúng phát nhiệt từ hiện tượng phân rã phóng xạ của các nguyên tố như plutonium và có tuổi thọ khoảng hơn 30 năm.
Nếu không thể sử dụng máy phát RTG, ví dụ trong trường hợp lá chắn bức xạ hạt nhân cho phi hành đoàn có trọng lượng quá nặng khiến việc mang theo RTG là không khả thi, và khoảng cách từ tàu đến Mặt Trời khiến ta không thể dùng đến tấm pin mặt trời, thì các khối nhiên liệu là một giải pháp được tính tới.
Khối nhiên liệu hydro-oxy từng được sử dụng ở các chuyến thám hiểm không gian của tàu Apollo và Gemini.
Dù khối nhiên liệu hydro-oxy không thể sạc đi sạc lại nhiều lần, nhưng chúng lại có mức năng lượng cao và chỉ xả ra duy nhất là hơi nước, là thứ mà các phi hành gia có thể gom lại để làm nước uống.
Nasa và JPL đang nghiên cứu nhằm tạo ra được hệ thống cấp năng lượng tàu vũ trụ tương lai có khả năng phát ra và tích trữ năng lượng được nhiều hơn, có thể tích nhỏ gọn hơn và có thời lượng sử dụng lâu hơn. Tuy nhiên, các tàu vũ trụ mới thì đòi hỏi lượng dự trữ năng lượng cao hơn, trong khi các hệ thống được lắp đặt trên tàu lại ngày càng phức tạp và hao tốn nhiên liệu hơn.
Nhu cầu năng lượng ở tàu vũ trụ sử dụng hệ thống năng lượng đẩy lại càng đặc biệt cao, chẳng hạn như ở hệ thống đẩy ion, vốn lần đầu được lắp đặt trên tàu không gian Deep Space 1 vào năm 1998 và nay được sử dụng rộng rãi trên các tàu vũ trụ.
Hệ thống đẩy bằng điện năng thường vận hành bằng lực đẩy bằng điện tốc độ cao, nhưng cũng có một số tàu sử dụng chuỗi điện động tương tác với từ trường của các hành tinh để đẩy tàu về phía trước.
Nasa
Hầu hết hệ thống cấp năng lượng trên Trái Đất sẽ không vận hành được trong không gian. Chính vì thế, bất cứ hệ thống nhiên liệu nào mới cũng cần phải qua các bước thử nghiệm, kiểm tra nghiêm ngặt trước khi gắn vào tàu vũ trụ.
Nasa và JPL sử dụng phòng thí nghiệm để giả lập các môi trường khắc nghiệt và đưa công nghệ mới vào vận hành thử bằng cách dùng phóng xạ bắn phá dữ dội vào các thiết bị và hệ thống mới, đẩy chúng vào môi trường nhiệt độ cực kỳ khắc nghiệt.
Hoạt động lâu hơn
Máy phát điện đồng vị phóng xạ Stirling đang được thử nghiệm cho các chuyến thám hiểm không gian trong tương lai.
Dựa trên máy RTG hiện nay, các máy mới sẽ hiệu quả hơn người anh em nhiệt điện gấp nhiều lần và có thể có kích cỡ nhỏ hơn. Tuy nhiên, quá trình chế tạo thiết bị này cũng phức tạp hơn.
Các loại pin mới cũng đang được phát triển phục vụ cho sứ vụ đi đến Europa (một trong các mặt trăng của Sao Mộc) của Nasa.
Pin này được thiết kế để có thể vận hành trong khoảng nhiệt từ -80 độ C đến -100 độ C. Pin lithium-ion cao cấp cũng đang được phát triển và sẽ trữ được gấp đôi lượng điện năng.
Điều này giúp tăng tỷ trọng năng lượng, cho phép các phi hành gia làm việc với thời gian lâu gấp đôi trước khi pin cạn.
Các khối pin mặt trời đang được phát triển để có thể vận hành trong điều kiện cường độ ánh sáng và nhiệt độ thấp, nhằm giúp các tàu vũ trụ bay xa Mặt Trời vẫn có thể hoạt động được.
Trạm phát điện cố định trong vũ trụ
Đến một lúc nào đó trong tương lai, Nasa sẽ tìm cách lắp đặt một trạm không gian cố định trên Sao Hỏa, cũng như có thể đặt trạm trên các hành tinh xa xôi hơn.
Hệ thống phát điện tương lai cần phải lớn hơn các thiết bị hiện thời để có thể cấp đủ năng lượng cho các chuyến thám hiểm dài hơi hơn.
Trên Mặt Trăng có rất nhiều nguyên tố helium-3 vốn rất hiếm ở Trái Đất và là nguồn nhiên liệu lý tưởng cho điện nhiệt hạch hạt nhân.
Tuy nhiên, phản ứng nhiệt hạch vẫn chưa ổn định, chưa đáng tin cậy để có thể trở thành nguồn năng lượng khả thi cho tàu vũ trụ.
Ngoài ra, một lò phản ứng nhiệt hạch cơ bản, như Tokamak, thường phải đặt trong một tòa nhà có kích cỡ như một nhà đậu máy bay, tức là quá lớn để đặt lên một tàu vũ trụ.
Vậy còn lò phản ứng hạt nhân dùng cấp điện cho các tàu vũ trụ đến Mặt Trăng hoặc Sao Hỏa thì sao?
Science Photo Library
Thay vì mang theo một hệ thống phát điện rời cho cả đoàn, lò phản ứng hạt nhân của tàu vũ trụ có thể trở thành trạm năng lượng cố định đặt tại điểm đến.
Các tàu vũ trụ sử dụng lực đẩy hạt nhân sẽ được sử dụng trong các nhiệm vụ dài hơi trong tương lai.
Surampudi nói: "Nhiệm vụ Asteroid Redirect Mission (nhiệm vụ đưa robot đến thám hiểm một tiểu hành tinh gần Trái Đất) đòi hỏi hệ thống pin mặt trời phải đủ lớn để cấp đủ điện năng đẩy tàu vũ trụ bay vòng quanh tiểu hành tinh đó."
"Hiện thời, chúng tôi đang nghĩ sẽ sử dụng hệ thống đẩy năng lượng mặt trời, nhưng hệ thống đẩy hạt nhân có thể sẽ rẻ hơn."
Tuy nhiên, chúng ta sẽ chưa được chứng kiến việc các tàu vũ trụ dùng năng lượng hạt nhân trong nhiều năm tới.
"Công nghệ vẫn chưa hoàn chỉnh," Surampudi nói. "Chúng tôi cần phải đảm bảo chắc chắn rằng loại năng lượng này đạt an toàn khi phóng đi."
Nhiều thử nghiệm nghiêm ngặt sẽ được thực hiện nhằm kiểm định độ an toàn và khả năng chịu được áp lực trong các chuyến bay vào không gian của các máy phát điện này.
Những hệ thống năng lượng mới đang được phát triển này sẽ giúp tàu vũ trụ vận hành được lâu hơn, đi xa hơn, tuy nhiên, chúng vẫn đang trong giai đoạn thẩm định.
Một khi thử nghiệm thành công, đây sẽ là những hệ thống quan trọng được dùng trong các chuyến đi đưa con người tới Sao Hỏa và đi xa hơn nữa.
Bản tiếng Anh bài này đã đăng trên BBC Future.
