Vì sao tàu vũ trụ bay cả trăm năm không hết nhiên liệu?

Nhờ vào nhiên liệu Pu-238, các con tàu vũ trụ có thể tự vận hành và bay mãi đến những nơi xa xôi trong hàng trăm năm.
Vì sao tàu vũ trụ bay cả trăm năm không hết nhiên liệu?

Chính phủ Mỹ cho biết một con robot có thể giúp tạo ra nguồn cung plutonium-238 (Pu-238) lâu dài và đáng tin cậy cho các tàu thăm dò không gian của NASA.

Đây là vật liệu phóng xạ dùng để cung cấp năng lượng nhiệt điện cho các con tàu, đặc biệt là những tàu đi cực xa như New Horizons (đã qua khỏi sao Diêm Vương), Voyagers (hai tàu đã vượt ra khỏi Hệ mặt trời và đi vào không gian liên sao), Cassini (đang ở vành đai sao Thổ).

Năng lượng phóng xạ đáng tin cậy

Khi Pu-238 bán rã và sinh ra nhiệt năng, một thiết bị gọi là “Máy phát nhiệt điện bức xạ” sẽ thu nhận nhiệt năng của Pu-238 và chuyển thành điện năng nhờ vào quá trình nhiệt điện.

Vì sao tàu vũ trụ bay cả trăm năm không hết nhiên liệu? ảnh 1

Một khối plutonium-238 dioxide đang phát sáng do nhiệt độ cao. Ảnh: Wikipedia.

Do Pu-238 mất nhiều thế kỉ mới nguội trở lại, nhiệt năng của nó là nguồn năng lượng lâu dài cho những tàu thăm dò đi rất xa, đến những nơi mà ánh mặt trời không vươn tới nổi khiến các tấm pin mặt trời trở nên vô dụng.

Pu-238 là vật liệu nhân tạo, cũng là một trong những chất liệu quý hiếm nhất Trái đất. Trên thực tế, người ta đã ngừng sản xuất nó kể từ thời Chiến tranh lạnh bởi sự chấm dứt chạy đua hạt nhân. Do đó NASA chỉ còn đủ nhiên liệu cho 3 tàu thăm dò.

NASA đã lo ngại việc cạn kiệt nguồn cung Pu-238 từ những năm 1990, nhưng họ không thể kêu gọi đầu tư đủ để chế tạo một máy gia tốc lớn để sản xuất.

Đến 2012, với nguồn đầu tư 20 triệu USD mỗi năm, các đối tác của NASA đã hoàn tất giai đoạn nghiên cứu quá trình sản xuất Pu-238 mới, không cần đến các máy gia tốc khổng lồ và tốn kém như thời chiến tranh. Bộ năng lượng Mỹ hy vọng sẽ đáp ứng được nhu cầu 1,5 kg Pu-238 mỗi năm của NASA với chu trình mới bằng các robot hiện đại.

Vì sao tàu vũ trụ bay cả trăm năm không hết nhiên liệu? ảnh 2

Một công nhân đang nạp 3 lõi nhiệt điện bức xạ vào tàu Cassini. Ảnh: NASA.

Phòng thí nghiệm Quốc gia Oak Ridge ở Tennessee cho biết họ đã chứng minh được tính hiệu quả của phương pháp mới, có thể nâng cao năng lực sản xuất lên gấp 8 lần so với trước đây nhờ vào một robot tự động.

Khó khăn trong sản xuất Pu-238

Oak Ridge đã sản xuất ra Plutonium cho NASA từ 2015, nhưng chỉ với một lượng nhỏ, khoảng 50 gram. Tuy vậy điều này chứng minh phòng thí nghiệm đã tạo ra công thức và các công cụ có thể chế tạo Pu-238.

Phòng thí nghiệm này cũng đưa ra một tuyên cáo báo chí rằng họ sẵn sàng để sản xuất 400 gram mỗi năm, gấp 8 lần trước đây.

Một tấm Pu-238 cần từ 28 - 36 tháng để sản xuất với nguồn nguyên liệu đầu vào là Neptunium-237. Neptunium-237 được nén thành viên trong các ống nhôm, đưa vào một lò phản ứng hạt nhân đặc biệt tại Oak Ridge tên gọi Lò phản ứng đồng vị thông lượng cao (High Flux Isotope Reactor - HFIR).

Sau vài tháng chịu tác động bởi dòng neutron của lõi lò phản ứng, một phần Neptunium-237 chuyển hóa thành Pu-238 (Pu-239 là nguyên liệu sản xuất bom hạt nhân, nhưng Pu-238 thì không).

Sau khi để vật liệu nguội lại trong nước vài tháng, người ta hòa tan chúng vào acid để tách ra bằng phương pháp hóa học, cuối cùng tinh lọc Pu-238 và thu hồi Neptunium-237 để tái sử dụng.

Tuy nhiên, một phần nhỏ Neptunium-237 phân rã trở thành Protactinium-233. Chất này hoạt động phóng xạ cực mạnh, phóng ra các tia gamma gây chết người. Do đó, thời gian làm việc của công nhân bị giới hạn, chỉ có vài kỹ sư đủ trình độ lẫn kĩ năng để sản xuất Pu-238.

Vì sao tàu vũ trụ bay cả trăm năm không hết nhiên liệu? ảnh 3

Bên trong lò phản ứng đồng vị thông lượng cao tại Oak Ridge. Ảnh: Oak Ridge National Laboratory.

Ngoài ra, sản xuất công nghiệp Pu-238 sẽ cần đến 20.000 - 25.000 viên nén Neptunium mỗi năm. Chưa kể việc làm đi làm lại một công việc tẻ nhạt trong bộ đồ bảo hộ nóng nực khiến người ta có thể phát điên.

Tăng tốc sản xuất

Để sản xuất nhiều hơn, các nhà khoa học đã chế tạo ra một robot tự động làm những việc con người bị giới hạn về cả thể chất và tinh thần.

Con robot được trang bị nhiều cánh tay đa năng giúp tăng tốc độ làm việc và an toàn hơn nhiều so với con người. Nó được thiết kế chuyên dụng để tiếp xúc và nén viên Neptunium-237, các công nhân chỉ việc đưa các viên nén này vào lò phản ứng.

Tuy khả năng sản xuất của phòng thí nghiệm vẫn chưa đáp ứng đủ cho NASA, các nhà khoa học tin rằng họ đang đi đúng hướng.

Với việc xây dựng thêm nhiều lò phản ứng tiên tiến phục vụ dân sự, bộ năng lượng Mỹ hy vọng có thể sản xuất 5 kg Pu-238 mỗi năm. Lượng nhiên liệu này là hành trang không thể thiếu cho những tàu thăm dò không gian xa xôi nhất mà loài người sẽ gửi đi trong tương lai.

Theo Zing
TIN LIÊN QUAN
Tảng băng lớn nhất thế giới thoát khỏi Nam Cực
Tảng băng lớn nhất thế giới thoát khỏi Nam Cực
(Ngày Nay) - Các hình ảnh vệ tinh mới nhất từ Cơ quan hàng không vũ trụ Mỹ (NASA) cho thấy tảng băng khổng lồ A-23A - hiện là tảng băng lớn nhất thế giới - đã thoát khỏi vòng xoáy đại dương phía bắc quần đảo Nam Orkney và đang trôi dạt về phía đông bắc, hướng tới đảo Nam Georgia, nơi nó được dự đoán sẽ tan vỡ và biến mất hoàn toàn.
Phòng bệnh truyền nhiễm mùa lạnh
Phòng bệnh truyền nhiễm mùa lạnh
(Ngày Nay) - Thời tiết lạnh khiến mọi người, đặc biệt là trẻ nhỏ và các nhóm có nguy cơ cao như người trên 65 tuổi và phụ nữ có thai dễ mắc các bệnh truyền nhiễm. Để chủ động phòng chống các bệnh truyền nhiễm, người dân cần chú ý: che miệng, mũi khi hắt hơi; thường xuyên rửa tay với nước sạch và xà phòng hoặc dung dịch có cồn; giữ ấm cơ thể…
Hàng nghìn người tham dự đêm nhạc “Bài ca không quên”
Hàng nghìn người tham dự đêm nhạc “Bài ca không quên”
(Ngày Nay) - Tối 22/12, Hòa nhạc và biểu diễn nghệ thuật đặc biệt Bài ca không quên diễn ra tại phố đi bộ Nguyễn Huệ (Q.1, TP.HCM) với nhiều cảm xúc, đưa khán giả trở về những khoảnh khắc lịch sử hào hùng của Quân đội nhân dân Việt Nam.
Những sự kiện nổi bật của ngành Y tế TP Hồ Chí Minh năm 2024
Những sự kiện nổi bật của ngành Y tế TP Hồ Chí Minh năm 2024
(Ngày Nay) -  Dịch sởi bùng phát tại TP Hồ Chí Minh, Thực hiện thành công kỹ thuật can thiệp thông tim bào thai, Triển khai Sổ sức khỏe điện tử tích hợp trên ứng dụng VneID thay cho sổ khám bệnh… là những sự kiện nổi bật của ngành Y tế TP Hồ Chí Minh năm 2024 được Sở Y tế Thành phố công bố chiều 22/12.
Từ năm 2025, trường học được xây cao nhất là 5 tầng
Từ năm 2025, trường học được xây cao nhất là 5 tầng
(Ngày Nay) -  Bộ Giáo dục và Đào tạo vừa ban hành Thông tư mới bổ sung và điều chỉnh linh hoạt các tiêu chuẩn về diện tích đất, quy mô trường học và tiêu chuẩn cơ sở vật chất tối thiểu, theo hướng phù hợp với thực tế triển khai tại các địa phương.
Phó Thủ tướng Nguyễn Hòa Bình chúc mừng Giáng sinh các tổ chức tôn giáo
Phó Thủ tướng Nguyễn Hòa Bình chúc mừng Giáng sinh các tổ chức tôn giáo
(Ngày Nay) -  Trong không khí vui tươi, ấm áp dịp Lễ Giáng sinh 2024 và đón chào năm mới 2025, chiều 22/12, Phó Thủ tướng Thường trực Chính phủ Nguyễn Hòa Bình đã đến chúc mừng tại Tòa Tổng Giám mục Hà Nội, Tổng hội thánh Tin Lành Việt Nam (miền Bắc) và Ủy ban Đoàn kết Công giáo Việt Nam.
Thiếu tá Hà Thanh thuyết minh phòng truyền thống cho các chiến sĩ mới.
Không phải cứ cầm súng mới là chiến đấu
(Ngày Nay) - Là một người vợ, một người mẹ nhưng trên hết là một người con của Tổ quốc, những nữ quân nhân luôn xứng đáng được tôn vinh với sự hi sinh cao cả cho sự nghiệp bền vững của dân tộc. Hơn 15 năm công tác tại quân đội, Thiếu tá Đinh Thị Hà Thanh luôn hoàn thành tốt nhiệm vụ của mình, tỏa sáng với phẩm chất “Anh hùng - bất khuất - trung hậu - đảm đang”.
Ta đi theo ánh lửa từ trái tim mình...
Ta đi theo ánh lửa từ trái tim mình...
(Ngày Nay) - Tròn 80 năm xây dựng, chiến đấu và trưởng thành, dưới sự lãnh đạo tuyệt đối, trực tiếp về mọi mặt của Đảng, Quân đội nhân dân Việt Nam cùng với toàn dân đã lập nên những chiến công vĩ đại trong sự nghiệp giải phóng dân tộc, bảo vệ Tổ quốc.