Hệ mặt trời là một nơi thực sự lớn và phải mất thời gian để đi từ thế giới này sang thế giới khác bằng tên lửa hóa học truyền thống. Nhưng một kỹ thuật, được phát triển từ những năm 1960 có thể cung cấp một cách để rút ngắn đáng kể thời gian di chuyển của chúng ta: tên lửa hạt nhân.
Tất nhiên, việc phóng một tên lửa chạy bằng vật liệu phóng xạ cũng có những rủi ro riêng. Chúng ta có nên thử nó không?
Hãy nói rằng bạn muốn đến thăm Sao Hỏa bằng tên lửa hóa học. Bạn sẽ nổ tung khỏi Trái đất và đi vào quỹ đạo Trái đất thấp. Sau đó, vào đúng thời điểm, bạn đã bắn tên lửa của mình, nâng quỹ đạo của bạn từ Mặt trời. Quỹ đạo hình elip mới mà bạn theo sau giao với Sao Hỏa sau tám tháng bay.
Điều này được gọi là chuyển Hohmann, và nó là cách hiệu quả nhất mà chúng ta biết cách di chuyển trong không gian, sử dụng lượng nhiên liệu ít nhất và lượng tải trọng lớn nhất. Vấn đề của khóa học là thời gian cần thiết. Trong suốt hành trình, các phi hành gia sẽ tiêu thụ thực phẩm, nước, không khí và được tiếp xúc với bức xạ dài hạn của không gian sâu. Sau đó, một nhiệm vụ trở lại tăng gấp đôi nhu cầu tài nguyên và tăng gấp đôi tải bức xạ.
Chúng ta cần phải đi nhanh hơn.
Hóa ra NASA đã suy nghĩ về những gì tiếp theo sau tên lửa hóa học trong gần 50 năm.
Tên lửa nhiệt hạt nhân. Họ chắc chắn tăng tốc hành trình, nhưng họ không phải không có rủi ro riêng, đó là lý do tại sao bạn đã nhìn thấy họ. Nhưng có lẽ thời gian của họ là ở đây.
Năm 1961, NASA và Ủy ban Năng lượng nguyên tử đã cùng nhau thực hiện ý tưởng về lực đẩy nhiệt hạt nhân, hay NTP. Điều này đã được tiên phong bởi Werner von Braun, người hy vọng rằng các nhiệm vụ của con người sẽ bay đến Sao Hỏa vào những năm 1980, trên đôi cánh của tên lửa hạt nhân.
Vâng, điều đó đã xảy ra. Nhưng họ đã thực hiện một số thử nghiệm thành công về lực đẩy nhiệt hạt nhân và chứng minh rằng nó hoạt động.
Trong khi một tên lửa hóa học hoạt động bằng cách đốt cháy một số loại hóa chất dễ cháy và sau đó buộc khí thải ra khỏi vòi phun. Nhờ có định luật thứ ba Newton Newton cũ, bạn biết rằng, đối với mọi hành động có một phản ứng ngang bằng và ngược lại, tên lửa nhận được một lực đẩy theo hướng ngược lại từ các khí bị trục xuất.
Một tên lửa hạt nhân hoạt động theo cách tương tự. Một quả bóng nhiên liệu Uranium có kích thước bằng đá cẩm thạch trải qua quá trình phân hạch, giải phóng một lượng nhiệt cực lớn. Điều này làm nóng một hydro đến gần 2.500 C, sau đó được phóng ra phía sau tên lửa với tốc độ cao. Vận tốc rất rất cao, mang lại cho tên lửa gấp hai đến ba lần hiệu suất đẩy của tên lửa hóa học.
Hãy nhớ 8 tháng tôi đã đề cập cho một tên lửa hóa học? Một tên lửa nhiệt hạt nhân có thể cắt giảm thời gian vận chuyển xuống một nửa, thậm chí có thể là các chuyến đi 100 ngày tới Sao Hỏa. Điều đó có nghĩa là ít tài nguyên được tiêu thụ bởi các phi hành gia, và tải bức xạ thấp hơn.
Và có một lợi ích lớn khác. Lực đẩy của một tên lửa hạt nhân có thể cho phép các nhiệm vụ đi khi Trái đất và Sao Hỏa không hoàn toàn thẳng hàng. Ngay bây giờ nếu bạn bỏ lỡ cửa sổ của mình, bạn phải đợi thêm 2 năm nữa, nhưng một tên lửa hạt nhân có thể cho bạn lực đẩy để đối phó với sự chậm trễ chuyến bay.
Các thử nghiệm đầu tiên về tên lửa hạt nhân bắt đầu vào năm 1955 với Project Rover tại Phòng thí nghiệm khoa học Los Alamos. Sự phát triển chính là thu nhỏ các lò phản ứng đủ để có thể đặt chúng vào một tên lửa. Trong vài năm tới, các kỹ sư đã xây dựng và thử nghiệm hơn một chục lò phản ứng có kích cỡ và công suất khác nhau.
Với thành công của Project Rover, NASA đã nhắm đến các sứ mệnh của con người lên Sao Hỏa sẽ theo tàu đổ bộ Apollo trên Mặt Trăng. Vì khoảng cách và thời gian bay, họ quyết định tên lửa hạt nhân sẽ là chìa khóa để khiến các nhiệm vụ trở nên có khả năng hơn.
Tên lửa hạt nhân aren không có rủi ro của họ, tất nhiên. Một lò phản ứng trên máy bay sẽ là một nguồn phóng xạ nhỏ cho phi hành đoàn phi hành gia trên máy bay, điều này sẽ vượt trội hơn do thời gian bay giảm. Bản thân không gian sâu là một mối nguy bức xạ khổng lồ, với bức xạ vũ trụ thiên hà không đổi làm hỏng DNA phi hành gia.
Vào cuối những năm 1960, NASA đã thiết lập chương trình Ứng dụng phương tiện hạt nhân cho tên lửa, hay NERVA, phát triển các công nghệ sẽ trở thành tên lửa hạt nhân đưa con người lên sao Hỏa.
Họ đã thử nghiệm các tên lửa hạt nhân lớn hơn, mạnh hơn, trên sa mạc Nevada, trút khí hydro tốc độ cao ngay vào bầu khí quyển. Luật môi trường đã ít nghiêm ngặt hơn nhiều sau đó.
NERVA NRX đầu tiên cuối cùng đã được thử nghiệm trong gần hai giờ, với 28 phút ở công suất tối đa. Và một động cơ thứ hai đã được khởi động 28 lần và chạy trong 115 phút.
Cuối cùng, họ đã thử nghiệm lò phản ứng hạt nhân mạnh nhất từng được chế tạo, lò phản ứng Phoebus-2A, có khả năng tạo ra 4.000 megawatt điện. Lực đẩy trong 12 phút.
Mặc dù các thành phần khác nhau chưa bao giờ thực sự được lắp ráp thành một tên lửa sẵn sàng cho chuyến bay, các kỹ sư hài lòng rằng một tên lửa hạt nhân sẽ đáp ứng nhu cầu của một chuyến bay tới Sao Hỏa.
Nhưng sau đó, Mỹ quyết định không muốn lên Sao Hỏa nữa. Họ muốn tàu con thoi thay thế.
Chương trình đã ngừng hoạt động vào năm 1973 và kể từ đó, không ai thử tên lửa hạt nhân.
Nhưng những tiến bộ gần đây trong công nghệ đã làm cho lực đẩy nhiệt hạt nhân trở nên hấp dẫn hơn. Trở lại những năm 1960, nguồn nhiên liệu duy nhất họ có thể sử dụng là uranium rất giàu. Nhưng bây giờ các kỹ sư nghĩ rằng họ có thể có được bằng uranium làm giàu thấp.
Điều này sẽ an toàn hơn khi làm việc và sẽ cho phép nhiều cơ sở tên lửa hơn chạy thử nghiệm. Nó cũng sẽ dễ dàng hơn để thu giữ các hạt phóng xạ trong khí thải và thải bỏ chúng đúng cách. Điều đó sẽ làm giảm chi phí chung khi làm việc với công nghệ.
Vào ngày 22 tháng 5 năm 2019, Quốc hội Hoa Kỳ đã phê duyệt 125 triệu đô la tài trợ cho việc phát triển tên lửa đẩy nhiệt hạt nhân. Mặc dù chương trình này không có bất kỳ vai trò nào trong việc trở lại Mặt trăng vào năm 2024 của NASA, nhưng - trích dẫn - đã kêu gọi NASA xây dựng kế hoạch nhiều năm cho phép trình diễn động cơ đẩy hạt nhân bao gồm cả dòng thời gian liên quan đến trình diễn không gian và một mô tả về các nhiệm vụ trong tương lai và hệ thống động lực và sức mạnh được kích hoạt bởi khả năng này.
Phản ứng phân hạch hạt nhân là một cách để khai thác sức mạnh của nguyên tử. Tất nhiên, nó đòi hỏi uranium được làm giàu và tạo ra chất thải phóng xạ độc hại. Còn hợp hạch thì sao? Trường hợp các nguyên tử hydro được nén vào helium, giải phóng năng lượng?
Mặt trời đã hợp nhất, nhờ vào khối lượng và nhiệt độ cốt lõi khổng lồ của nó, nhưng phản ứng tổng hợp năng lượng bền vững, bền vững đã bị chúng ta trừng phạt bằng cách trừng phạt con người.
Các thí nghiệm khổng lồ như ITER ở châu Âu đang hy vọng duy trì năng lượng nhiệt hạch trong vòng một thập kỷ tới. Sau đó, bạn có thể tưởng tượng các lò phản ứng nhiệt hạch được thu nhỏ đến mức chúng có thể đóng vai trò giống như lò phản ứng phân hạch trong tên lửa hạt nhân. Nhưng ngay cả khi bạn có thể có được các lò phản ứng nhiệt hạch đến mức chúng có thể tích cực năng lượng ròng, chúng vẫn có thể cung cấp gia tốc cực lớn cho khối lượng.
Và có lẽ chúng ta không cần phải đợi hàng thập kỷ. Một nhóm nghiên cứu tại Phòng thí nghiệm Vật lý Plasma Princeton đang nghiên cứu một khái niệm gọi là Direct Fusion Drive, mà họ nghĩ rằng có thể sẵn sàng sớm hơn nhiều.
Nó dựa trên lò phản ứng nhiệt hạch cấu hình đảo ngược trường Princeton được phát triển vào năm 2002 bởi Samuel Cohen. Huyết tương nóng của helium-3 và deuterium được chứa trong một hộp chứa từ tính. Helium-3 rất hiếm trên Trái đất và có giá trị vì các phản ứng nhiệt hạch với nó đã giành được một lượng chất phóng xạ hoặc chất thải hạt nhân nguy hiểm như các lò phản ứng tổng hợp hoặc phân hạch khác.
Như với tên lửa phân hạch, một tên lửa nhiệt hạch làm nóng một chất đẩy đến nhiệt độ cao và sau đó thổi nó ra phía sau, tạo ra lực đẩy.
Nó hoạt động bằng cách xếp một loạt các nam châm tuyến tính có chứa và quay plasma rất nóng. Ăng-ten xung quanh plasma được điều chỉnh theo tần số cụ thể của các ion và tạo ra dòng điện trong plasma. Năng lượng của chúng được bơm lên đến mức các nguyên tử hợp nhất, giải phóng các hạt mới. Những hạt này đi lang thang qua trường ngăn chặn cho đến khi chúng bị bắt bởi các đường sức từ và chúng được gia tốc ra phía sau tên lửa.
Về lý thuyết, một tên lửa nhiệt hạch sẽ có khả năng cung cấp lực đẩy 2,5 đến 5 Newton mỗi megawatt, với xung lực cụ thể là 10.000 giây - hãy nhớ 850 từ tên lửa phân hạch và 450 từ tên lửa hóa học. Nó cũng sẽ tạo ra điện cần thiết cho tàu vũ trụ ở xa Mặt trời, nơi các tấm pin mặt trời phát triển rất hiệu quả.
Direct Fusion Drive sẽ có khả năng thực hiện sứ mệnh 10 tấn tới Sao Thổ chỉ sau 2 năm, hoặc tàu vũ trụ nặng 1 tấn từ Trái đất đến Sao Diêm Vương trong khoảng 4 năm. Chân trời mới cần gần 10.
Vì nó cũng là một lò phản ứng nhiệt hạch 1 megawatt, nó cũng sẽ cung cấp năng lượng cho tất cả các thiết bị của tàu vũ trụ khi nó đến. Nhiều hơn nhiều so với pin hạt nhân hiện đang được thực hiện bởi các sứ mệnh không gian sâu như Voyager và New Horizons.
Hãy tưởng tượng những loại nhiệm vụ liên sao có thể nằm trên bàn với công nghệ này.
Và Princeton Satellite Systems là nhóm duy nhất làm việc trên các hệ thống như thế này. Ứng dụng Fusion Systems đã xin cấp bằng sáng chế cho động cơ nhiệt hạch hạt nhân có thể cung cấp lực đẩy cho tàu vũ trụ.
Tôi biết nó đã nhiều thập kỷ kể từ khi NASA thử nghiệm nghiêm túc tên lửa hạt nhân như một cách để rút ngắn thời gian bay, nhưng có vẻ như công nghệ này đã quay trở lại. Trong vài năm tới, tôi hy vọng sẽ thấy phần cứng mới và các thử nghiệm mới về hệ thống đẩy nhiệt hạt nhân. Và tôi vô cùng phấn khích trước khả năng các ổ hợp hạch thực tế đưa chúng ta đến thế giới khác. Như mọi khi, hãy theo dõi, tôi sẽ cho bạn biết khi một người thực sự bay.
