Tàu vũ trụ chạy bằng năng lượng hạt nhân: tại sao giấc mơ về tên lửa nguyên tử lại trở lại – Thế Giới Vật Lý

<a href="https://platoblockchain.com/wp-content/uploads/2024/02/nuclear-powered-spacecraft-why-dreams-of-atomic-rockets-are-back-on-physics-world-6.jpg" data-fancybox data-src="https://platoblockchain.com/wp-content/uploads/2024/02/nuclear-powered-spacecraft-why-dreams-of-atomic-rockets-are-back-on-physics-world-6.jpg" data-caption="Đi hạt nhân Tên lửa DRACO của Mỹ sẽ sử dụng nhiệt từ lò phản ứng phân hạch để đẩy nó vào không gian. (Được phép của Lockheed Martin)”>

Năm 1914 HG Wells xuất bản Thế giới đặt miễn phí, một cuốn tiểu thuyết dựa trên quan niệm rằng một ngày nào đó radium có thể cung cấp năng lượng cho các tàu vũ trụ. Wells, người quen thuộc với công việc của các nhà vật lý như Ernest Rutherford, biết rằng radium có thể tạo ra nhiệt và dự tính nó sẽ được sử dụng để làm quay tuabin. Cuốn sách có thể là một tác phẩm hư cấu, nhưng Thế giới đặt miễn phí đã thấy trước một cách chính xác tiềm năng của cái mà người ta có thể gọi là “tàu vũ trụ nguyên tử”.

Ý tưởng sử dụng năng lượng hạt nhân để du hành vũ trụ xuất hiện vào những năm 1950 khi công chúng – sau khi chứng kiến ​​sự khủng khiếp ở Hiroshima và Nagasaki – dần dần bị thuyết phục về lợi ích của năng lượng hạt nhân cho mục đích hòa bình. Nhờ các chương trình như của Mỹ Các nguyên tử vì hòa bình, mọi người bắt đầu nhận ra rằng năng lượng hạt nhân có thể được sử dụng cho năng lượng và vận tải. Nhưng có lẽ ứng dụng triệt để nhất nằm ở chuyến bay vào vũ trụ.

Trong số những người ủng hộ mạnh mẽ nhất việc du hành vũ trụ bằng năng lượng hạt nhân có nhà vật lý toán học nổi tiếng Freeman Dyson. Năm 1958, ông nghỉ phép một năm ở Viện Nghiên cứu Cao cấp ở Princeton để làm việc tại General Atomics ở San Diego trong một dự án có mật danh là Orion. Sản phẩm trí tuệ của Ted Taylor – nhà vật lý từng làm việc trong dự án bom nguyên tử Manhattan ở Las Alamos – Dự án Orion nhằm mục đích chế tạo một tàu vũ trụ nặng 4000 tấn có thể sử dụng 2600 quả bom hạt nhân để đẩy nó vào không gian.

Việc thả bom nguyên tử ra khỏi phía sau tàu vũ trụ nghe có vẻ điên rồ vì lý do môi trường, nhưng Dyson tính toán rằng “chỉ” 0.1–1 người Mỹ sẽ mắc bệnh ung thư từ phương pháp này. Dự án thậm chí còn được hỗ trợ bởi chuyên gia tên lửa Wernher von Braun, và một loạt chuyến bay thử nghiệm phi hạt nhân đã được thực hiện. Rất may, Hiệp ước cấm thử nghiệm một phần năm 1963 chấm dứt Dự án Orion, và bản thân Dyson sau đó đã rút lại sự ủng hộ đối với tàu vũ trụ nguyên tử sau khi nhận ra những mối nguy hiểm môi trường của chúng một cách muộn màng.

Mặc dù Dự án Orion đã kết thúc, sức hấp dẫn của động cơ đẩy hạt nhân vẫn chưa bao giờ thực sự biến mất (xem hộp “Du hành vũ trụ hạt nhân: lịch sử tóm tắt”) và hiện đang tận hưởng một điều gì đó của sự hồi sinh. Tuy nhiên, thay vì sử dụng bom nguyên tử, ý tưởng là chuyển năng lượng từ lò phản ứng phân hạch hạt nhân sang nhiên liệu đẩy, nhiên liệu này sẽ được làm nóng đến khoảng 2500 K và phun ra qua vòi phun trong một quá trình gọi là “động cơ đẩy nhiệt hạt nhân” (NTP) . Ngoài ra, năng lượng phân hạch có thể làm ion hóa một loại khí sẽ được bắn ra từ phía sau tàu vũ trụ – thứ được gọi là “sức đẩy điện hạt nhân” (NEP).

Vì vậy, du hành vũ trụ bằng năng lượng hạt nhân có phải là một triển vọng thực tế không và nếu có thì công nghệ nào sẽ chiến thắng?

tăng cường hạt nhân

Hầu hết các tên lửa thông thường đều chạy bằng nhiên liệu hóa học thông thường. Các Tên lửa Saturn V chẳng hạn, đã đưa các phi hành gia lên Mặt trăng vào cuối những năm 1960 và đầu những năm 1970, sử dụng nhiên liệu lỏng, trong khi các tên lửa đẩy đã thất bại thảm hại trong quá trình phóng tàu con thoi Challenger vào năm 1986 có chứa nhiên liệu rắn.

Gần đây hơn, Tên lửa Falcon của Space Xchẳng hạn, đã sử dụng hỗn hợp dầu hỏa và oxy. Vấn đề là, tất cả các chất đẩy như vậy đều có “mật độ năng lượng” tương đối nhỏ (năng lượng được lưu trữ trên một đơn vị thể tích) và “xung lượng riêng” thấp (hiệu suất mà chúng có thể tạo ra lực đẩy). Điều này có nghĩa là lực đẩy tổng thể của tên lửa – xung lực riêng nhân với tốc độ dòng khối của khí thải và lực hấp dẫn của Trái đất – là thấp.

Do đó, chất đẩy hóa học chỉ có thể đưa bạn đi xa, với Mặt trăng là giới hạn truyền thống. Để tiếp cận các hành tinh xa xôi và các điểm đến “không gian sâu” khác, tàu vũ trụ thường khai thác lực hấp dẫn của nhiều hành tinh khác nhau. Tuy nhiên, những chuyến đi như vậy rất vòng vèo và mất nhiều thời gian. Ví dụ, sứ mệnh Juno của NASA là cần thiết năm năm để đến được Sao Mộc, trong khi tàu Du hành phải mất hơn 30 năm để đến được Sao Mộc rìa của hệ mặt trời. Những nhiệm vụ như vậy cũng bị hạn chế bởi thời gian phóng hẹp và không thường xuyên.

Thay vào đó, một tàu vũ trụ hạt nhân sẽ sử dụng năng lượng phân hạch để đốt nóng nhiên liệu (hình 1) – rất có thể là hydro lỏng được lưu trữ ở dạng đông lạnh, chất có khối lượng phân tử thấp và nhiệt cháy cao. “Động cơ đẩy hạt nhân, bằng điện hoặc nhiệt, có thể lấy được nhiều năng lượng hơn từ một khối lượng nhiên liệu nhất định so với khả năng của động cơ đẩy dựa trên quá trình đốt cháy,” nói. Dale Thomas, cựu phó giám đốc tại Trung tâm bay không gian Marshall của NASA, hiện làm việc tại Đại học Alabama ở Huntsville.

Thomas nói rằng hệ thống đẩy hóa học hiệu quả nhất hiện nay có thể đạt được xung lực cụ thể khoảng 465 giây. Ngược lại, NTP có thể có xung lực cụ thể gần 900 giây do mật độ năng lượng của phản ứng hạt nhân cao hơn. Kết hợp với tỷ lệ lực đẩy trên trọng lượng cao hơn nhiều, NTP có thể đưa tên lửa lên Sao Hỏa chỉ trong 500 ngày, thay vì 900.

“Tỷ lệ lực đẩy trên trọng lượng rất quan trọng vì nó quyết định khả năng tăng tốc của tàu vũ trụ, điều này đặc biệt quan trọng trong các giai đoạn nhiệm vụ quan trọng, như thoát khỏi lực hấp dẫn của Trái đất hoặc di chuyển trong không gian sâu,” cho biết Mauro Augelli, người đứng đầu hệ thống phóng tại Cơ quan Vũ trụ Vương quốc Anh. “Mặt khác, xung lực cụ thể là thước đo mức độ hiệu quả của tên lửa sử dụng nhiên liệu đẩy.”

Động cơ đẩy hạt nhân, bằng điện hoặc nhiệt, có thể lấy được nhiều năng lượng hơn từ một khối lượng nhiên liệu nhất định so với khả năng của động cơ đẩy dựa trên quá trình đốt cháy.

Dale Thomas, Đại học Alabama ở Huntsville

Về cơ bản, với một lượng nhiên liệu đẩy nhất định, tàu vũ trụ chạy bằng năng lượng hạt nhân có thể di chuyển nhanh hơn và duy trì lực đẩy trong thời gian dài hơn so với tên lửa hóa học. Do đó, sẽ rất tuyệt vời cho các sứ mệnh có phi hành đoàn tới Sao Hỏa - ​​các phi hành gia không chỉ có hành trình nhanh hơn mà do đó, họ sẽ tiếp xúc với ít bức xạ vũ trụ hơn. Augelli cho biết thêm: “Hơn nữa, thời gian thực hiện nhiệm vụ ngắn hơn giúp giảm bớt các thách thức về hậu cần và hỗ trợ sự sống, khiến việc khám phá không gian sâu trở nên khả thi và an toàn hơn”.

Nhưng năng lượng hạt nhân không chỉ nhằm cắt giảm thời gian hành trình. NASA cũng có một chương trình chuyên dụng tại của nó Trung tâm nghiên cứu Glenn ở Cleveland, Ohio, để sử dụng phản ứng phân hạch hạt nhân – thay vì năng lượng mặt trời hoặc nhiên liệu hóa học – để cung cấp năng lượng cho tàu vũ trụ khi chúng đã đến đích. Người quản lý chương trình cho biết: “Năng lượng hạt nhân mang lại những lợi ích đặc biệt khi hoạt động trong các môi trường và khu vực khắc nghiệt trong không gian, nơi hệ thống năng lượng mặt trời và hóa học không đủ hoặc không thể làm nguồn năng lượng cho hoạt động kéo dài”. Lindsay Kaldon.

Trở lại hành động

Vào năm 2020, chính phủ Hoa Kỳ đã đưa tàu vũ trụ hạt nhân trở lại chương trình nghị sự bằng cách trao thưởng gần 100 triệu USD cho ba công ty – General Atomics, Lockheed Martin và Blue Origin. Họ sẽ sử dụng tiền để làm việc Tên lửa trình diễn cho các hoạt động Cislunar nhanh nhẹn (DRACO), được tài trợ thông qua DARPA cơ quan nghiên cứu của Bộ Quốc phòng Mỹ. Trong giai đoạn đầu, các công ty sẽ hướng tới việc chứng minh rằng NTP có thể được sử dụng để phóng tên lửa lên trên quỹ đạo Trái đất thấp, với DARPA hướng tới tỷ lệ lực đẩy trên trọng lượng ngang bằng với các hệ thống tên lửa hóa học hiện có.

<a data-fancybox data-src="https://platoblockchain.com/wp-content/uploads/2024/02/nuclear-powered-spacecraft-why-dreams-of-atomic-rockets-are-back-on-physics-world-3.jpg" data-caption="Năng lượng theo yêu cầu Một hệ thống năng lượng bề mặt phân hạch như thế này có thể cung cấp năng lượng điện an toàn, hiệu quả và đáng tin cậy trên Mặt Trăng và Sao Hỏa. (Lịch sự: NASA)” title=”Nhấp để mở hình ảnh trong cửa sổ bật lên” href=”https://platoblockchain.com/wp-content/uploads/2024/02/nuclear-Powered-spacecraft-why-dreams-of-atomic -rockets-are-back-on-physical-world-3.jpg”>

Tabitha Dodson, người quản lý chương trình DARPA của DRACO, cho rằng việc phóng và bay thành công lò phản ứng không gian hạt nhân của chương trình DRACO sẽ cách mạng hóa chuyến bay vào vũ trụ. Bà nói: “Không giống như các hệ thống hóa học ngày nay đã đạt đến giới hạn về mức độ phát triển của chúng, các công nghệ hạt nhân được lý thuyết hóa để phát triển thành các hệ thống như phản ứng tổng hợp và hơn thế nữa”. “Tàu vũ trụ được phát triển để có thể điều khiển và cung cấp năng lượng bằng lò phản ứng hạt nhân sẽ cho phép nhân loại tiến xa hơn, với cơ hội sống sót và thành công cao hơn cho bất kỳ loại nhiệm vụ nào.”

Trong chương trình DRACO, General Atomics sẽ thiết kế lò phản ứng NTP và phác thảo kế hoạch chi tiết cho hệ thống con đẩy, trong khi Blue Origin và Lockheed Martin sẽ tự lên kế hoạch cho tàu vũ trụ. Lò phản ứng phân hạch sẽ sử dụng một thiết bị đặc biệt uranium làm giàu thấp thử nghiệm cao (HALEU), có thể được tạo ra bằng cách sử dụng nhiên liệu tái chế từ các lò phản ứng hạt nhân hiện có. Chỉ chứa uranium được làm giàu 20%, nó không thích hợp để biến thành vũ khí hạt nhân.

Lò phản ứng sẽ không được bật (tức là ở mức tới hạn) cho đến khi tàu đạt đến quỹ đạo “an toàn hạt nhân”. Nói cách khác, trong trường hợp khẩn cấp khó xảy ra, mọi ô nhiễm sẽ bị tiêu tán vào không gian một cách vô hại. Lockheed Martin đã hợp tác với Công nghệ BWX của Lynchburg, Virginia, để phát triển lò phản ứng và sản xuất nhiên liệu HALEU. BWX nói rằng tên lửa DRACO có thể phóng sớm nhất là vào năm 2027.

Động cơ tên lửa thở không khí: tương lai của chuyến bay vào vũ trụ

Ở những nơi khác, các nhà nghiên cứu tại Phòng thí nghiệm quốc gia Idaho ở Mỹ đang giúp NASA phát triển và thử nghiệm các vật liệu cần thiết cho tên lửa hạt nhân Thử nghiệm lò phản ứng thoáng qua (TREAT) gần Idaho Falls. Họ đã thực hiện một đợt thực hành vào năm ngoái để xác nhận các mô hình máy tính và thử nghiệm một cảm biến mới và viên nang thí nghiệm. Về lâu dài, mục đích là xác định vật liệu, cấu trúc tổng hợp và hợp chất uranium nào hoạt động tốt nhất trong điều kiện cực nóng của lò phản ứng NTP.

Nhiệt từ lò phản ứng sẽ làm nóng nhiên liệu hydro, tạo ra sự thay đổi lớn nhất về vận tốc – cái mà các nhà khoa học tên lửa gọi là Δv - đối với một khối lượng nhất định. Nhược điểm của hydro là nó có mật độ thấp và tên lửa sẽ cần thùng chứa lớn. Các chất đẩy khác, chẳng hạn như amoniac, có Δ thấp hơnv mỗi kg nhiên liệu đẩy, nhưng đậm đặc hơn nhiều. Ở Huntsville, Thomas đã chỉ ra rằng amoniac sẽ là nhiên liệu lý tưởng để đưa các nhà thiên văn học tới Sao Hỏa từ tàu vũ trụ của NASA. Cổng Mặt Trăng – một trạm vũ trụ sẽ quay quanh Mặt trăng.

Đã xuất bản đánh giá về công nghệ NTP cho Viện Hàng không và Du hành vũ trụ Hoa Kỳ vào năm 2020, Thomas đã kết luận rằng các hệ thống NTP thông thường, cung cấp nhiều lực đẩy trong thời gian ngắn khoảng 50 phút, sẽ lý tưởng cho các chuyến bay ngang qua và các nhiệm vụ điểm hẹn. Nhưng cũng có những hệ thống “hai phương thức”, kết hợp NTP với NEP (xem hộp “Những thách thức của động cơ đẩy điện hạt nhân”). Loại trước mang lại lực đẩy cao nhanh chóng trong khi loại sau mang lại lực đẩy thấp trong thời gian dài hơn – hoàn hảo cho các nhiệm vụ khứ hồi, kéo dài.

Kate Haggerty Kelly, giám đốc không gian và kỹ thuật tại BWX Technologies, cho biết tổng thể lực đẩy nhiệt hạt nhân có thể hiệu quả hơn từ hai đến năm lần so với hệ thống đẩy hóa học đồng thời cung cấp lực đẩy cao. “[Ngược lại], hệ thống động cơ điện hạt nhân có thể mang lại hiệu suất cao hơn nhưng lực đẩy thấp hơn và năng lượng được tạo ra thông qua phản ứng phân hạch hạt nhân có thể được chuyển đổi thành điện năng để cung cấp năng lượng cho các hệ thống phụ trên tàu vũ trụ.”

Vậy NTP hay NEP sẽ tốt hơn cho các hoạt động trong không gian sâu? Theo Thomas, nó sẽ phụ thuộc vào loại nhiệm vụ. “Đối với các nhiệm vụ thuộc một hạng nhất định – chẳng hạn như tàu vũ trụ khoa học có khối lượng nhất định – hoặc các nhiệm vụ có phi hành đoàn hoặc đối với các điểm đến nhất định, NTP sẽ là lựa chọn tốt nhất, trong khi đối với các nhiệm vụ khác, NEP sẽ là lựa chọn tốt nhất. Giống như một chuyến đi bằng ô tô, nó phụ thuộc vào khoảng cách, số lượng hành lý bạn mang theo, nhu cầu về lịch trình của bạn, v.v.”

Tương lai hạt nhân

NASA hiện đang xem xét một số sứ mệnh không gian sử dụng năng lượng hạt nhân. Dựa theo một báo cáo được phát hành vào tháng 2021 năm XNUMX, chúng có thể bao gồm các phi thuyền sẽ quay quanh nhiều mặt trăng khác nhau của Sao Thiên Vương và Sao Mộc, và những chiếc khác sẽ quay quanh và hạ cánh trên mặt trăng Triton của Sao Hải Vương. Báo cáo cũng dự tính một tên lửa chạy bằng năng lượng hạt nhân sẽ đi vào quỹ đạo cực quanh Mặt trời và thậm chí có thể thực hiện một sứ mệnh vào không gian giữa các vì sao.

Trong phân tích cuối cùng, một số loại động cơ đẩy hạt nhân sẽ - riêng lẻ hoặc kết hợp với một loại động cơ đẩy khác - là một phần quan trọng trong nỗ lực không gian trong tương lai của nhân loại. Với việc NASA, Cơ quan Vũ trụ Vương quốc Anh và Cơ quan Vũ trụ Châu Âu đều đang xem xét các chuyến bay vũ trụ chạy bằng năng lượng hạt nhân, tôi cá rằng các sứ mệnh có phi hành đoàn đầu tiên tới Sao Hỏa, vào những năm 2030, sẽ sử dụng một số dạng công nghệ này. Tôi chắc chắn rằng giấc mơ của Freeman Dyson có thể sớm được nhìn thấy ánh sáng ban ngày.

• Phân phối nội dung và PR được hỗ trợ bởi SEO. Được khuếch đại ngay hôm nay.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Trao quyền cho chính mình. Truy cập Tại đây.
• PlatoAiStream. Thông minh Web3. Kiến thức khuếch đại. Truy cập Tại đây.
• Trung tâmESG. Than đá, công nghệ sạch, Năng lượng, Môi trường Hệ mặt trời, Quản lý chất thải. Truy cập Tại đây.
• PlatoSức khỏe. Tình báo thử nghiệm lâm sàng và công nghệ sinh học. Truy cập Tại đây.
• nguồn: https://physicsworld.com/a/nuclear-powered-spacecraft-why-dreams-of-atomic-rockets-are-back-on/