Pin hạt nhân: 'Trái tim' giúp tàu Voyager hoạt động gần 50 năm trong vũ trụ

[Nhật Quang]

Các tàu thăm dò Voyager của NASA, được phóng vào năm 1977, hiện là những vật thể nhân tạo xa Trái Đất nhất, vẫn đang hoạt động và gửi dữ liệu về Trái Đất sau gần 50 năm du hành trong không gian. Bí quyết giúp chúng "sống sót" trong điều kiện khắc nghiệt của vũ trụ nằm ở một công nghệ đặc biệt: pin hạt nhân, hay còn gọi là máy phát nhiệt điện đồng vị phóng xạ (RTG).

Những điểm chính:

• Các tàu Voyager của NASA sử dụng máy phát nhiệt điện đồng vị phóng xạ (RTG) để cung cấp năng lượng.
• RTG sử dụng sự phân rã phóng xạ của plutonium-238 để tạo ra nhiệt, sau đó chuyển nhiệt thành điện.
• Công nghệ này cho phép tàu vũ trụ hoạt động ổn định trong hàng thập kỷ mà không cần ánh sáng Mặt Trời.
• RTG đã được sử dụng trong nhiều sứ mệnh không gian của NASA, bao gồm cả tàu thám hiểm Curiosity và New Horizons.
• Hai tàu Voyager 1 và 2 hiện đang ở khoảng cách 15,5 tỷ dặm và 13 tỷ dặm từ Trái Đất, là những vật thể nhân tạo xa nhất.

Vì sao tàu Voyager không dùng pin mặt trời?

Ở rìa ngoài của Hệ Mặt Trời, nơi ánh sáng Mặt Trời rất yếu, các tấm pin mặt trời không thể cung cấp đủ năng lượng cho tàu vũ trụ hoạt động. Đây là lý do vì sao các tàu thăm dò như Voyager phải sử dụng một nguồn năng lượng thay thế: pin hạt nhân (RTG).

Ngay cả trong Hệ Mặt Trời, như các sứ mệnh lên Mặt Trăng hoặc Sao Hỏa, tàu vũ trụ vẫn cần đến các nguồn năng lượng thay thế, do môi trường không gian rất khắc nghiệt: bức xạ mạnh, nhiệt độ thay đổi lớn (từ hàng trăm độ âm đến hàng trăm độ dương).

RTG: 'Trái tim' hạt nhân của tàu vũ trụ

Máy phát nhiệt điện đồng vị phóng xạ (RTG) là một loại pin hạt nhân, sử dụng sự phân rã phóng xạ của plutonium-238 để tạo ra điện.
Nguyên lý hoạt động của RTG:

1. Phân rã phóng xạ: Plutonium-238 phân rã tự nhiên, phát ra các hạt alpha.
2. Sinh nhiệt: Các hạt alpha va chạm với vật chất xung quanh, tạo ra nhiệt.
3. Chuyển đổi nhiệt thành điện: Nhiệt lượng này được chuyển đổi thành điện năng thông qua hiệu ứng Seebeck.

​

Hiệu ứng Seebeck, được nhà khoa học Thomas Seebeck phát hiện vào năm 1821, cho thấy khi hai dây dẫn bằng các vật liệu khác nhau được kết nối trong một vòng kín và chịu sự chênh lệch nhiệt độ, dòng điện sẽ được tạo ra.

Một RTG tiêu chuẩn chứa plutonium-238 ở dạng gốm rắn, được bao quanh bởi vật liệu cách nhiệt và các cặp nhiệt điện. Một mặt của cặp nhiệt điện được giữ ở nhiệt độ cao (khoảng 538°C), mặt còn lại tiếp xúc với không gian lạnh giá. Sự chênh lệch nhiệt độ này tạo ra dòng điện.

Ưu điểm của RTG

• Nguồn năng lượng ổn định: RTG cung cấp năng lượng liên tục trong hàng chục năm, không phụ thuộc vào ánh sáng Mặt Trời.
• Độ bền cao: Không có bộ phận chuyển động, giảm thiểu nguy cơ hỏng hóc.
• Hoạt động trong môi trường khắc nghiệt: Chịu được bức xạ, nhiệt độ cao/thấp, và các điều kiện khắc nghiệt khác trong không gian.

Một RTG chỉ tạo ra vài trăm watt điện (đủ để vận hành một chiếc laptop), nhưng ở vùng sâu của không gian, nơi không có nguồn năng lượng nào khác, con số đó là quá đủ.

Một nửa lượng plutonium trong RTG sẽ phân rã sau khoảng 90 năm.

Ứng dụng của RTG trong các sứ mệnh không gian

RTG đã được sử dụng trong nhiều sứ mệnh không gian của NASA, bao gồm:

• Tàu thám hiểm Curiosity và Perseverance trên Sao Hỏa.
• Tàu New Horizons (thăm dò Sao Diêm Vương).
• Tàu Voyager 1 và 2.

Voyager: Minh chứng cho sức mạnh của RTG

Hai tàu Voyager 1 và 2, được phóng vào năm 1977, là minh chứng rõ ràng nhất cho sức mạnh và độ bền của RTG. Mỗi tàu được trang bị ba RTG, cung cấp tổng cộng 470 watt điện vào thời điểm phóng.

Gần 50 năm sau, cả hai tàu vẫn đang hoạt động và gửi dữ liệu về Trái Đất, từ khoảng cách 15,5 tỷ dặm (Voyager 1) và 13 tỷ dặm (Voyager 2). Chúng là những vật thể nhân tạo xa Trái Đất nhất.

Công nghệ RTG, dù đã ra đời từ những năm 1960, vẫn là một giải pháp năng lượng quan trọng cho các sứ mệnh không gian, đặc biệt là các sứ mệnh dài ngày và ở những nơi xa xôi, thiếu ánh sáng Mặt Trời. Thành công của các tàu Voyager là minh chứng rõ ràng nhất cho điều này.