Cơ quan Hàng không Vũ trụ Mỹ (NASA) đang tiến hành thử nghiệm một loại pin hạt nhân thế hệ mới sử dụng đồng vị phóng xạ americium-241, với tuổi thọ tiềm năng lên tới 433 năm.
Nếu thành công, loại pin này có thể trở thành giải pháp năng lượng lý tưởng cho các sứ mệnh vũ trụ dài hạn, nơi con người không thể can thiệp trong suốt nhiều thế kỷ.
Năng lượng cho những hành trình ngoài tầm với
Các kỹ sư NASA điều chỉnh động cơ Stirling trong thử nghiệm (Ảnh: NASA).
Theo Interesting Engineering, không gian vũ trụ là nơi không có nguồn điện lưới, mặt trời thì quá xa hoặc bị che khuất bởi khí quyển dày đặc, nhiệt độ thì lạnh thấu xương.
Trong điều kiện đó, để duy trì hoạt động cho tàu vũ trụ và các thiết bị thám hiểm, NASA đã sử dụng công nghệ pin hạt nhân từ hàng chục năm trước.
Loại pin này hoạt động dựa trên nguyên lý khai thác nhiệt sinh ra từ sự phân rã phóng xạ để tạo ra điện năng. Công nghệ này từng được ứng dụng trong các sứ mệnh nổi tiếng như tàu Voyager 1 và 2, tàu New Horizons bay qua sao Diêm Vương, hay các robot thám hiểm sao Hỏa như Curiosity và Perseverance.
Trong suốt nhiều thập kỷ, NASA chủ yếu sử dụng plutonium-238, một đồng vị có chu kỳ bán rã khoảng 88 năm.
Tuy nhiên, nguồn cung plutonium-238 rất hạn chế và từng bị ngừng sản xuất trong 30 năm. Mặc dù việc sản xuất đã được khôi phục vào năm 2011 tại các cơ sở như Oak Ridge và Idaho, lượng cung vẫn không đủ để đáp ứng cho các sứ mệnh không gian ngày càng mở rộng.
Trước thực tế đó, từ tháng 1, NASA đã phối hợp với Đại học Leicester của Anh để thử nghiệm một lựa chọn thay thế đầy tiềm năng là americium-241.
Loại đồng vị này có chu kỳ bán rã lên đến 433 năm, tức gấp gần 5 lần plutonium-238. Điều đó đồng nghĩa với việc, một thiết bị sử dụng pin americium-241 có thể hoạt động ổn định trong hàng trăm năm mà không cần thay thế hoặc can thiệp kỹ thuật.
Đây là điều chưa từng có trong lịch sử ngành hàng không vũ trụ.
Khi tuổi thọ không còn là giới hạn
Pin sử dụng americium-241 không chỉ có tuổi thọ cao mà còn có khả năng cung cấp năng lượng ổn định trong thời gian dài mà không bị suy giảm đáng kể.
Điều này đặc biệt quan trọng trong các sứ mệnh bay sâu vào vũ trụ, nơi tín hiệu từ Trái Đất mất nhiều giờ hoặc thậm chí nhiều ngày để đến được tàu thăm dò.
Một khi thiết bị đã rời xa, con người không còn khả năng sửa chữa hay tiếp tế, vì vậy năng lượng cần phải bền vững, đáng tin cậy và hoạt động độc lập trong hàng chục năm, thậm chí hàng thế kỷ.
Theo ông Wayne Wong, Trưởng bộ phận chuyển đổi nhiệt năng tại Trung tâm nghiên cứu Glenn của NASA, các sứ mệnh không gian trước đây thường chỉ yêu cầu thiết bị hoạt động trong khoảng 14 năm.
Nhưng với americium-241, NASA có thể thiết kế các thiết bị hoạt động trong hàng trăm năm, tạo điều kiện cho những chương trình nghiên cứu kéo dài từ thế hệ này sang thế hệ khác.
Tất nhiên, để được đưa vào sử dụng trong môi trường khắc nghiệt như vũ trụ, americium-241 phải đáp ứng các tiêu chuẩn cực kỳ nghiêm ngặt về an toàn và tính ổn định.
Đồng vị phóng xạ được sử dụng phải không hòa tan trong nước, không gây độc khi tiếp xúc với sinh vật sống, và đặc biệt là phải có cấu trúc vật lý bền vững.
Nhiên liệu phóng xạ thường được chế tạo ở dạng gốm để nếu xảy ra sự cố, nó sẽ vỡ thành những mảnh lớn, hạn chế phát tán vào môi trường và giảm nguy cơ hấp thụ qua da hoặc đường hô hấp.
Hiện quá trình xử lý và tinh luyện americium-241 đang được tiến hành tại Phòng thí nghiệm quốc gia Los Alamos của Mỹ, nơi có hệ thống đảm bảo an toàn hạt nhân hàng đầu thế giới.
Song song với đó, NASA cũng đang thử nghiệm động cơ Stirling piston tự do. Đây là hệ thống chuyển đổi nhiệt năng thành điện năng có hiệu suất cao, có thể hoạt động suốt 14 năm mà không cần bảo trì.
Việc kết hợp giữa americium-241 và công nghệ Stirling hứa hẹn sẽ tạo ra loại pin hạt nhân không chỉ lâu bền mà còn cực kỳ nhỏ gọn, phù hợp với các tàu thăm dò kích thước hạn chế.
Mở ra tương lai cho những sứ mệnh kéo dài hàng thế kỷ
Nếu quá trình thử nghiệm diễn ra thuận lợi, americium-241 có thể trở thành loại nhiên liệu chủ lực cho các sứ mệnh thám hiểm không gian trong tương lai.
Máy bay không người lái Dragonfly, dự kiến bay trên mặt trăng Titan của sao Thổ vào cuối thập kỷ này, có thể là một trong những thiết bị đầu tiên được trang bị pin hạt nhân thế hệ mới.
Không dừng lại ở vũ trụ, loại pin này còn có tiềm năng ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác như cảm biến ở đáy biển sâu, thiết bị đo đạc trong môi trường cực lạnh, hoặc các hệ thống viễn thông không cần bảo trì trong nhiều thập kỷ.
