Cuộc hội thoại

Để khám phá an toàn hệ mặt trời và xa hơn nữa, tàu vũ trụ phải đi nhanh hơn – tên lửa chạy bằng năng lượng hạt nhân có thể là câu trả lời

Trong 50 năm qua, nhiều thay đổi trong lĩnh vực tên lửa. Nhiên liệu cung cấp năng lượng cho máy bay không gian cuối cùng cũng có thể thay đổi. CSA-Printstock / DIgital Vision Vectors via Getty Images Với giấc mơ về sao Hỏa trong tâm trí của cả NASA và Elon Musk, các sứ mệnh đường dài có người lái xuyên không gian sẽ đến. Nhưng bạn có thể ngạc nhiên khi biết rằng tên lửa hiện đại không hoạt động với tốc độ nhanh hơn so với trước đây. Có rất nhiều lý do giải thích tại sao một tàu vũ trụ nhanh hơn lại tốt hơn, và tên lửa chạy bằng năng lượng hạt nhân là một cách để làm điều này. Nó mang lại nhiều lợi ích so với các tên lửa chạy bằng năng lượng mặt trời chạy bằng nhiên liệu hoặc điện thông thường, nhưng chỉ có 8 vụ phóng vào vũ trụ của Mỹ mang theo lò phản ứng hạt nhân trong vòng 40 năm qua. Tuy nhiên, vào năm 2019, luật quản lý hành trình bay vũ trụ hạt nhân đã thay đổi. Work đã đã bắt đầu sử dụng thế hệ tên lửa tiếp theo. Tại sao cần tốc độ? Bước đầu tiên trong du hành vũ trụ liên quan đến việc sử dụng tên lửa phóng để đưa một con tàu vào quỹ đạo. Đây là những động cơ lớn, chạy bằng nhiên liệu mà mọi người tưởng tượng khi họ nghĩ đến việc phóng tên lửa và khó có thể biến mất trong tương lai gần do hạn chế của lực hấp dẫn. Một khi con tàu đến không gian, mọi thứ trở nên thú vị. Để thoát khỏi lực hấp dẫn của Trái đất và đến các điểm đến không gian sâu, tàu cần tăng tốc bổ sung. Đây là lúc các hệ thống hạt nhân phát huy tác dụng. Nếu các phi hành gia muốn khám phá bất cứ thứ gì xa hơn Mặt Trăng và có thể là Sao Hỏa, họ sẽ cần phải di chuyển rất nhanh. Không gian rộng lớn, và mọi thứ đều ở xa. Có hai lý do tại sao tên lửa nhanh hơn sẽ tốt hơn cho việc du hành vũ trụ đường dài: an toàn và thời gian. Các phi hành gia trong chuyến du hành tới sao Hỏa sẽ phải tiếp xúc với lượng bức xạ rất cao có thể gây ra các vấn đề sức khỏe lâu dài nghiêm trọng như ung thư và vô sinh. Che chắn bức xạ có thể hữu ích, nhưng nó rất nặng, và nhiệm vụ càng lâu thì càng cần phải bảo vệ nhiều hơn. Cách tốt nhất để giảm tiếp xúc với bức xạ đơn giản là đến nơi bạn đang đến nhanh hơn. Nhưng sự an toàn của con người không phải là lợi ích duy nhất. Vì các cơ quan không gian đang di chuyển khỏi không gian, điều quan trọng là phải lấy dữ liệu từ các nhiệm vụ không người lái càng nhanh càng tốt. Tàu Voyager-2 đã mất 12 năm để đến được Sao Hải Vương, nơi nó chụp được một số bức ảnh tuyệt đẹp khi đang bay. Nếu Voyager-2 có một hệ thống đẩy nhanh hơn, các nhà thiên văn học sẽ có được những hình ảnh và thông tin mà nó có từ nhiều năm trước. Tốc độ là tốt. Tại sao các hệ thống hạt nhân nhanh hơn? Tên lửa Saturn 5 dài 363 feet và phần lớn nó chỉ là một bình xăng. Mike Jetzer / herorelics.org, CC BY-NC-ND Các hệ thống ngày nay Khi một con tàu thoát khỏi lực hấp dẫn của Trái đất, có ba khía cạnh quan trọng cần xem xét khi so sánh bất kỳ hệ thống đẩy nào: động cơ đẩy – tốc độ hệ thống có thể tăng hiệu suất khối lượng của con tàu – bao nhiêu lực Lực đẩy mà một hệ thống có thể tạo ra cho một lượng nhiên liệu nhất định Mật độ năng lượng – lượng năng lượng mà một lượng nhiên liệu nhất định có thể tạo ra ngày nay, các hệ thống đẩy phổ biến nhất được sử dụng là động cơ hóa học – nghĩa là tên lửa được điều chỉnh chạy bằng nhiên liệu – và năng lượng mặt trời – hệ thống đẩy điện. Hệ thống đẩy hóa học cung cấp rất nhiều lực đẩy, nhưng tên lửa hóa học không đặc biệt hiệu quả và nhiên liệu tên lửa không đậm đặc năng lượng. Tên lửa Saturn 5 chở các phi hành gia lên mặt trăng đã tạo ra lực 35 triệu Newton khi cất cánh và mang theo 950.000 gallon nhiên liệu. Mặc dù phần lớn nhiên liệu được sử dụng để đưa tên lửa vào quỹ đạo, nhưng có những hạn chế rõ ràng: Phải tốn rất nhiều nhiên liệu nặng để đi đến bất cứ đâu. Hệ thống đẩy điện tạo ra động lượng bằng cách sử dụng điện năng được sản xuất từ ​​các tấm pin mặt trời. Cách phổ biến nhất để làm điều này là sử dụng điện trường để tăng tốc các ion, chẳng hạn như xung động trong buồng. Các thiết bị này thường được sử dụng để cung cấp năng lượng cho các vệ tinh và có thể có hiệu suất khối lượng lớn hơn 5 lần so với các hệ thống hóa học. Nhưng nó tạo ra lực đẩy ít hơn nhiều – khoảng ba Newton, hoặc chỉ đủ để tăng tốc chiếc xe từ 0-60 dặm / giờ trong khoảng hai giờ rưỡi. Nguồn năng lượng – mặt trời – về cơ bản là vô hạn nhưng càng trở nên kém hữu ích khi con tàu càng ở xa mặt trời. Một trong những lý do khiến tên lửa chạy bằng năng lượng hạt nhân có triển vọng là vì chúng cung cấp mật độ năng lượng đáng kinh ngạc. Nhiên liệu uranium được sử dụng trong các lò phản ứng hạt nhân có mật độ năng lượng cao hơn 4 triệu lần so với hydrazine, và là một loại nhiên liệu đẩy tên lửa hóa học điển hình. Đưa một lượng nhỏ uranium vào không gian dễ dàng hơn nhiều so với việc vận chuyển hàng trăm nghìn gallon nhiên liệu. Vậy còn lực đẩy và hiệu suất khối lượng? Tên lửa nhiệt hạch đầu tiên được chế tạo vào năm 1967 và có thể được nhìn thấy ở hậu cảnh. Ở mặt trước là ống bảo vệ sẽ giữ lò phản ứng. NASA / Wikipedia có hai lựa chọn cho các kỹ sư hạt nhân, những người đã thiết kế hai loại hệ thống hạt nhân chính để du hành vũ trụ. Đầu tiên được gọi là động cơ đẩy nhiệt hạch. Các hệ thống này rất mạnh mẽ và hiệu quả vừa phải. Họ sử dụng một lò phản ứng phân hạch hạt nhân nhỏ – tương tự như lò phản ứng được tìm thấy trong tàu ngầm hạt nhân – để đốt nóng một loại khí, chẳng hạn như hydro, và khí đó sau đó được tăng tốc qua vòi của tên lửa để cung cấp sức đẩy. Các kỹ sư của NASA ước tính rằng sứ mệnh phóng nhiệt hạch tới sao Hỏa sẽ ngắn hơn 20% -25% so với chuyến bay trên tên lửa chạy bằng hóa chất. Hệ thống đẩy nhiệt hạt nhân hiệu quả hơn hệ thống đẩy hóa học gấp đôi hệ thống đẩy hóa học – nghĩa là chúng tạo ra lực đẩy gấp đôi khi sử dụng cùng một khối lượng lực đẩy – và có thể cung cấp lực đẩy 100.000 Newton. Đó là sức mạnh đủ để giúp một chiếc xe tăng tốc từ 0-60 dặm / giờ trong khoảng một phần tư giây. Hệ thống tên lửa thứ hai dựa trên năng lượng hạt nhân được gọi là động cơ điện hạt nhân. Chưa có hệ thống điện hạt nhân nào được xây dựng, nhưng ý tưởng là sử dụng một lò phản ứng phân hạch công suất cao để tạo ra điện, sau đó sẽ cung cấp năng lượng cho một hệ thống đẩy điện như chất đẩy Hall. Điều này sẽ rất hiệu quả, tốt hơn gấp ba lần so với hệ thống đẩy nhiệt hạt nhân. Vì một lò phản ứng hạt nhân có thể tạo ra một lượng điện năng lớn, nhiều cánh quạt điện riêng lẻ có thể được bật đồng thời để tạo ra một lượng lực đẩy tốt. Hệ thống điện hạt nhân sẽ là sự lựa chọn tốt nhất cho các sứ mệnh tầm xa vì chúng không yêu cầu năng lượng mặt trời, có hiệu suất rất cao và có thể cho lực đẩy tương đối cao. Nhưng trong khi tên lửa điện hạt nhân rất hứa hẹn, vẫn còn nhiều vấn đề kỹ thuật phải được giải quyết trước khi chúng có thể được sử dụng. Ấn tượng của một nghệ sĩ về con tàu nhiệt hạch hạt nhân được chế tạo để vận chuyển con người lên sao Hỏa sẽ trông như thế nào. John Frassanito & Associates / Wikipedia Tại sao vẫn chưa có tên lửa chạy bằng năng lượng hạt nhân? Hệ thống đẩy nhiệt hạt nhân đã được nghiên cứu từ những năm 1960, nhưng vẫn chưa bay vào vũ trụ. Các quy định lần đầu tiên được áp dụng ở Hoa Kỳ vào những năm 1970 về cơ bản yêu cầu mỗi trường hợp phải được một số cơ quan chính phủ kiểm tra, phê duyệt bất kỳ dự án vũ trụ hạt nhân nào và sự chấp thuận rõ ràng của tổng thống. Kết hợp với việc thiếu kinh phí cho nghiên cứu hệ thống tên lửa hạt nhân, môi trường này đã cản trở việc cải tiến thêm các lò phản ứng hạt nhân để sử dụng trong không gian. Tất cả những điều đó đã thay đổi khi chính quyền Trump ban hành một bản ghi nhớ của tổng thống vào tháng 8 năm 2019. Mặc dù nó tán thành sự cần thiết phải giữ các vụ phóng hạt nhân càng an toàn càng tốt, nhưng chỉ thị mới cho phép các nhiệm vụ hạt nhân với số lượng vật liệu hạt nhân nhỏ hơn để vượt qua quy trình phê duyệt của nhiều cơ quan. Chẳng hạn, chỉ có cơ quan tài trợ, như NASA, mới cần chứng nhận rằng sứ mệnh đáp ứng các khuyến nghị về an toàn. Các nhiệm vụ hạt nhân lớn hơn sẽ trải qua quá trình tương tự như trước đây. Cùng với việc xem xét các quy định này, NASA đã nhận được 0 triệu đô la trong ngân sách năm 2019 để phát triển động cơ đẩy nhiệt hạt nhân. DARPA cũng đang phát triển một hệ thống đẩy nhiệt hạch không gian để cho phép các hoạt động an ninh quốc gia ngoài quỹ đạo Trái đất. Sau 60 năm trì trệ, một tên lửa chạy bằng năng lượng hạt nhân có thể sẽ tiến vào vũ trụ trong vòng một thập kỷ. Kỳ tích thú vị này sẽ mở đầu một kỷ nguyên khám phá không gian mới. Con người sẽ lên sao Hỏa và các thí nghiệm khoa học sẽ tạo ra những khám phá mới trong suốt hệ mặt trời của chúng ta và hơn thế nữa. [You’re too busy to read everything. We get it. That’s why we’ve got a weekly newsletter. Sign up for good Sunday reading. ]Bài viết này được đăng lại từ The Conversation, một trang tin tức phi lợi nhuận chuyên chia sẻ ý tưởng từ các chuyên gia học thuật. Viết bởi: Ian Boyd, Đại học Colorado Boulder. Đọc thêm: Ngoài Falcon 9 của SpaceX, Millennium Falcon của tôi ở đâu? Cách SpaceX giảm chi phí và giảm rào cản đối với việc khai thác không gian Mặt trăng để lấy nhiên liệu tên lửa đưa chúng ta đến sao Hỏa Iain Boyd nhận được tài trợ từ các nguồn sau, không có nguồn nào liên quan đến động cơ đẩy không gian: Văn phòng nghiên cứu hải quân của Lockheed Martin Northrop Grumman L3 Harris