Thế Việt
Writer
Khai thác nhiệt lượng từ sự phân rã tự nhiên của plutoni-238, công nghệ pin hạt nhân là chìa khóa cho các sứ mệnh thám hiểm tới rìa hệ mặt trời như Voyager hay bề mặt khắc nghiệt của sao Hỏa.
Những điểm chính
Nguyên lý hoạt động: Biến nhiệt phóng xạ thành điện năng
Khác với pin hóa học thông thường hay pin mặt trời, RTGs không dựa vào phản ứng hóa học hay ánh sáng. Thay vào đó, chúng khai thác nhiệt lượng tỏa ra một cách tự nhiên từ sự phân rã của một đồng vị phóng xạ, chủ yếu là Plutoni-238 (Pu-238) trong các ứng dụng không gian hiện đại. Pu-238 phân rã bằng cách phát ra các hạt alpha, một quá trình tạo ra luồng nhiệt ổn định và có thể dự đoán được trong thời gian rất dài (chu kỳ bán rã của Pu-238 là gần 90 năm).
Luồng nhiệt này sau đó được chuyển đổi trực tiếp thành điện năng nhờ hiệu ứng Seebeck, một nguyên lý vật lý được khám phá từ năm 1821. Hiệu ứng này phát biểu rằng khi có sự chênh lệch nhiệt độ giữa hai đầu mối nối của hai vật liệu dẫn điện khác nhau, một dòng điện sẽ tự động hình thành. RTGs tận dụng điều này bằng cách đặt một đầu của các cặp nhiệt điện (thermocouple) gần khối Pu-238 đang nóng lên do phân rã, đầu còn lại tiếp xúc với môi trường cực lạnh của không gian. Sự chênh lệch nhiệt độ lên tới hàng trăm độ C này tạo ra dòng điện liên tục, cung cấp năng lượng cho tàu vũ trụ hoạt động bền bỉ hàng thập kỷ mà không cần bảo trì hay nạp lại.
Lịch sử và những sứ mệnh huyền thoại
Ý tưởng về RTG được hiện thực hóa vào những năm 1950 bởi các kỹ sư hạt nhân tại Phòng thí nghiệm Mound của Monsanto. Năm 1961, Hoa Kỳ phóng thiết bị RTG đầu tiên vào không gian, mang tên SNAP 3B, cung cấp năng lượng cho vệ tinh quân sự Navy Transit 4A.
Kể từ đó, RTGs trở thành lựa chọn ưu tiên cho các nhiệm vụ đòi hỏi nguồn năng lượng ổn định, lâu dài và hoạt động trong môi trường khắc nghiệt, nơi pin mặt trời không hiệu quả hoặc không khả thi:
An toàn và Hạn chế
Mặc dù sử dụng vật liệu phóng xạ, RTGs được thiết kế với các biện pháp an toàn nghiêm ngặt. Điều quan trọng cần nhấn mạnh là Pu-238 dùng trong RTG khác với Plutoni-239 dùng làm vũ khí hạt nhân. Pu-238 không thể duy trì phản ứng dây chuyền phân hạch. NASA thường sử dụng Pu-238 dưới dạng gốm (dioxide) và đóng gói trong các vỏ bọc nhiều lớp, siêu bền, chống va đập để giảm thiểu tối đa nguy cơ phát tán ra môi trường trong trường hợp xảy ra tai nạn khi phóng tàu. Lịch sử các sứ mệnh sử dụng RTG cho đến nay chưa ghi nhận sự cố nào gây ô nhiễm phóng xạ trên diện rộng.
Hạn chế lớn nhất của công nghệ RTG hiện nay là sự khan hiếm và chi phí sản xuất cực kỳ cao của Plutoni-238. Việc sản xuất đồng vị này đòi hỏi các lò phản ứng hạt nhân chuyên dụng và quy trình phức tạp, tốn kém thời gian.
Tuy nhiên, không thể phủ nhận vai trò không thể thay thế của RTGs trong việc mở rộng ranh giới khám phá không gian của nhân loại. Những "trái tim" hạt nhân bền bỉ này đã và đang tiếp tục cung cấp năng lượng cho những hành trình táo bạo nhất, giúp chúng ta vén màn những bí ẩn của Hệ Mặt Trời và vươn tới các vì sao.
Những điểm chính
- Máy phát nhiệt điện đồng vị phóng xạ (RTGs) là các pin hạt nhân cung cấp điện năng ổn định, siêu bền (hàng chục năm) cho các tàu vũ trụ hoạt động ở xa Mặt Trời hoặc trong môi trường khắc nghiệt.
- Chúng hoạt động bằng cách chuyển đổi nhiệt từ sự phân rã tự nhiên của Plutoni-238 (Pu-238) thành điện thông qua hiệu ứng Seebeck, không phải phản ứng phân hạch.
- RTGs là công nghệ không thể thiếu cho các sứ mệnh không gian sâu (ngoài Sao Mộc) nơi pin mặt trời không hiệu quả, nhờ tuổi thọ hàng thập kỷ của Pu-238.
- Các sứ mệnh nổi tiếng sử dụng RTG bao gồm Apollo, Pioneer, Voyager, Cassini, Curiosity và Perseverance.
- RTGs được thiết kế an toàn cao (Pu-238 khác loại vũ khí, vỏ bảo vệ chắc chắn), nhưng hạn chế chính là sự khan hiếm và chi phí sản xuất Pu-238 rất cao.
Nguyên lý hoạt động: Biến nhiệt phóng xạ thành điện năng
Khác với pin hóa học thông thường hay pin mặt trời, RTGs không dựa vào phản ứng hóa học hay ánh sáng. Thay vào đó, chúng khai thác nhiệt lượng tỏa ra một cách tự nhiên từ sự phân rã của một đồng vị phóng xạ, chủ yếu là Plutoni-238 (Pu-238) trong các ứng dụng không gian hiện đại. Pu-238 phân rã bằng cách phát ra các hạt alpha, một quá trình tạo ra luồng nhiệt ổn định và có thể dự đoán được trong thời gian rất dài (chu kỳ bán rã của Pu-238 là gần 90 năm).
Luồng nhiệt này sau đó được chuyển đổi trực tiếp thành điện năng nhờ hiệu ứng Seebeck, một nguyên lý vật lý được khám phá từ năm 1821. Hiệu ứng này phát biểu rằng khi có sự chênh lệch nhiệt độ giữa hai đầu mối nối của hai vật liệu dẫn điện khác nhau, một dòng điện sẽ tự động hình thành. RTGs tận dụng điều này bằng cách đặt một đầu của các cặp nhiệt điện (thermocouple) gần khối Pu-238 đang nóng lên do phân rã, đầu còn lại tiếp xúc với môi trường cực lạnh của không gian. Sự chênh lệch nhiệt độ lên tới hàng trăm độ C này tạo ra dòng điện liên tục, cung cấp năng lượng cho tàu vũ trụ hoạt động bền bỉ hàng thập kỷ mà không cần bảo trì hay nạp lại.
Lịch sử và những sứ mệnh huyền thoại
Ý tưởng về RTG được hiện thực hóa vào những năm 1950 bởi các kỹ sư hạt nhân tại Phòng thí nghiệm Mound của Monsanto. Năm 1961, Hoa Kỳ phóng thiết bị RTG đầu tiên vào không gian, mang tên SNAP 3B, cung cấp năng lượng cho vệ tinh quân sự Navy Transit 4A.
Kể từ đó, RTGs trở thành lựa chọn ưu tiên cho các nhiệm vụ đòi hỏi nguồn năng lượng ổn định, lâu dài và hoạt động trong môi trường khắc nghiệt, nơi pin mặt trời không hiệu quả hoặc không khả thi:
- Khám phá không gian sâu: Các sứ mệnh Apollo lên Mặt Trăng (cung cấp điện cho các thiết bị thí nghiệm trên bề mặt), tàu Pioneer 10 & 11, cặp tàu Voyager 1 & 2 (ví dụ điển hình nhất về độ bền), tàu Cassini bay quanh Sao Thổ.
- Thám hiểm hành tinh: Các robot tự hành Sao Hỏa Curiosity và Perseverance của NASA đều sử dụng RTG, giúp chúng hoạt động bất chấp bão bụi che khuất Mặt Trời, điều đã từng là "bản án tử" cho các robot dùng pin mặt trời trước đó như Spirit và Opportunity.
- Ứng dụng trên Trái Đất: RTGs cũng được dùng ở những nơi hẻo lánh như trạm khí tượng tự động, hải đăng ở Bắc Cực...
- Y tế: Trong quá khứ, các viên Pu-238 siêu nhỏ từng được dùng làm nguồn năng lượng cho máy tạo nhịp tim, đảm bảo hoạt động hàng chục năm.
An toàn và Hạn chế
Mặc dù sử dụng vật liệu phóng xạ, RTGs được thiết kế với các biện pháp an toàn nghiêm ngặt. Điều quan trọng cần nhấn mạnh là Pu-238 dùng trong RTG khác với Plutoni-239 dùng làm vũ khí hạt nhân. Pu-238 không thể duy trì phản ứng dây chuyền phân hạch. NASA thường sử dụng Pu-238 dưới dạng gốm (dioxide) và đóng gói trong các vỏ bọc nhiều lớp, siêu bền, chống va đập để giảm thiểu tối đa nguy cơ phát tán ra môi trường trong trường hợp xảy ra tai nạn khi phóng tàu. Lịch sử các sứ mệnh sử dụng RTG cho đến nay chưa ghi nhận sự cố nào gây ô nhiễm phóng xạ trên diện rộng.
Hạn chế lớn nhất của công nghệ RTG hiện nay là sự khan hiếm và chi phí sản xuất cực kỳ cao của Plutoni-238. Việc sản xuất đồng vị này đòi hỏi các lò phản ứng hạt nhân chuyên dụng và quy trình phức tạp, tốn kém thời gian.
Tuy nhiên, không thể phủ nhận vai trò không thể thay thế của RTGs trong việc mở rộng ranh giới khám phá không gian của nhân loại. Những "trái tim" hạt nhân bền bỉ này đã và đang tiếp tục cung cấp năng lượng cho những hành trình táo bạo nhất, giúp chúng ta vén màn những bí ẩn của Hệ Mặt Trời và vươn tới các vì sao.
