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.

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.

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.

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.

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.