“Pin hạt nhân” giúp Voyager hoạt động xa Mặt Trời như thế nào?

Ở khoảng cách rất xa Mặt Trời, Voyager vẫn cần điện để vận hành các hệ thống trên tàu. Nguồn điện ấy không phụ thuộc trực tiếp vào ánh nắng mà bắt đầu từ nhiệt sinh ra khi plutonium-238 phân rã tự nhiên. Hệ thống năng lượng đồng vị phóng xạ, gọi tắt là RPS, chuyển một phần nhiệt này thành điện; phần nhiệt dư còn có thể giúp thiết bị làm việc trong môi trường cực lạnh. [1]

Điểm đáng chú ý không nằm ở một “viên pin” có sức mạnh vô hạn, mà ở cách con tàu mang theo một nguồn nhiệt bền bỉ. Nhờ đó, bài toán năng lượng không còn bị ràng buộc chặt với độ sáng tại nơi tàu đang hoạt động. Đây là lý do công nghệ hạt nhân dạng này trở nên quan trọng đối với những hành trình dài ngày tới các vùng tối, nhiều bụi hoặc rất xa trong hệ Mặt Trời. [1]

Vì sao đi xa khiến pin Mặt Trời trở thành trở ngại?

Pin Mặt Trời chỉ phát huy tác dụng khi nhận được ánh sáng phù hợp. Càng đi tới những miền xa và tối, tàu vũ trụ càng khó dựa hoàn toàn vào nguồn năng lượng ở bên ngoài. NASA cho biết việc lựa chọn năng lượng Mặt Trời hay năng lượng hạt nhân liên quan trực tiếp tới nơi con tàu phải đến; RPS được dùng để mở rộng khả năng thám hiểm vượt quá giới hạn của pin Mặt Trời, pin hóa học và pin nhiên liệu. [1]

Có thể hình dung sự khác biệt bằng một ví dụ đời thường: một thiết bị cắm vào nguồn điện tại chỗ sẽ phụ thuộc vào điều kiện của nơi đặt nó, còn thiết bị mang sẵn nguồn năng lượng có thể tiếp tục làm việc khi môi trường thay đổi. So sánh này không mô tả cấu tạo của Voyager, nhưng cho thấy lợi thế cốt lõi của RPS: năng lượng cần thiết được tạo ra ngay trên tàu thay vì phải chờ điều kiện chiếu sáng thuận lợi.

Nhiệt phóng xạ trở thành điện bằng cách nào?

Chuỗi chuyển đổi bắt đầu trong vật liệu plutonium-238. Các hạt nhân của đồng vị này phân rã tự nhiên và giải phóng năng lượng dưới dạng nhiệt. RPS tiếp nhận nguồn nhiệt đó rồi biến một phần thành điện để các hệ thống tàu vũ trụ hoạt động. Vì quá trình khởi đầu từ đặc tính tự nhiên của vật liệu, con tàu không cần chiếu sáng plutonium-238 hay đốt nó như một loại nhiên liệu hóa học. [1]

Điều quan trọng là phân biệt nguồn năng lượng với dạng năng lượng mà thiết bị sử dụng. Nhiệt từ phân rã chưa trực tiếp thay thế điện trong các hệ thống của tàu; nó phải được chuyển đổi thành điện năng. Có thể hình dung như một chuỗi ba bước: vật liệu phóng xạ giải phóng nhiệt, hệ thống năng lượng tiếp nhận nhiệt, rồi điện được đưa tới những bộ phận cần vận hành. Cách nhìn này cũng giải thích vì sao tên đầy đủ “hệ thống năng lượng đồng vị phóng xạ” chính xác hơn cách gọi tắt “pin hạt nhân”. [1]

“Pin hạt nhân” có phải là một lò phản ứng thu nhỏ?

Cách gọi “pin hạt nhân” dễ khiến người đọc liên tưởng tới một lò phản ứng đang vận hành bên trong tàu. Tuy nhiên, mô tả của NASA về RPS nhấn mạnh một cơ chế khác: nhiệt được tạo ra bởi sự phân rã phóng xạ tự nhiên của plutonium-238. Vì vậy, từ “hạt nhân” ở đây chỉ nguồn gốc của năng lượng, còn từ “pin” là cách gọi gần gũi cho một hệ thống cung cấp điện lâu dài. [1]

Sự phân biệt này giúp tránh hai hiểu lầm. RPS không phải pin Mặt Trời được bổ sung vật liệu phóng xạ, bởi ánh sáng không phải đầu vào của quá trình tạo điện. Nó cũng không nên được hình dung đơn giản như một cục pin hóa học có kích thước lớn hơn. Đặc điểm quyết định của hệ thống là duy trì dòng chuyển đổi từ nhiệt phân rã sang điện trong suốt hành trình, gần như không phụ thuộc vào những biến đổi bên ngoài. [1]

Tại sao nhiệt dư cũng hữu ích?

Trong không gian xa, điện không phải nhu cầu duy nhất. Nhiệt độ thấp có thể trở thành một điều kiện vận hành khó khăn đối với các hệ thống trên tàu. NASA cho biết một phần nhiệt dư do RPS tạo ra có thể được tận dụng để giúp thiết bị hoạt động trong môi trường cực lạnh. Như vậy, cùng một quá trình phân rã vừa cung cấp đầu vào để tạo điện, vừa đem lại một nguồn nhiệt có ích. [1]

Có thể lấy một ví dụ minh họa: nếu một thiết bị tạo ra nhiệt trong lúc làm việc, người thiết kế có thể dẫn phần nhiệt ấy tới khu vực cần giữ ấm thay vì coi toàn bộ là hao phí. Trên tàu vũ trụ, cách tận dụng cụ thể phụ thuộc vào thiết kế của từng sứ mệnh, nhưng nguyên tắc chung vẫn rõ ràng: năng lượng chưa chuyển thành điện không nhất thiết trở nên vô dụng nếu môi trường xung quanh rất lạnh. [1]

Điều gì khiến RPS phù hợp với hành trình dài?

Lợi thế lớn của RPS là khả năng hoạt động liên tục trong các sứ mệnh kéo dài và ít lệ thuộc vào ánh sáng, nhiệt độ, bức xạ hạt mang điện hay điều kiện bề mặt như mây dày và bụi. Những yếu tố đó có thể khác biệt mạnh giữa không gian liên hành tinh và bề mặt một thiên thể. Một nguồn điện mang theo tàu giúp người thiết kế không phải đặt toàn bộ khả năng hoạt động vào một điều kiện môi trường duy nhất. [1]

Voyager là trường hợp đặc biệt dễ hình dung: khi con tàu đi tới nơi ánh sáng Mặt Trời không còn đáp ứng tốt bài toán năng lượng, nguồn điện hạt nhân cho phép các hệ thống của nó tiếp tục hoạt động. RPS vì thế không làm cho khoảng cách biến mất; nó thay đổi cách con tàu đối phó với khoảng cách. Thay vì phải tìm ánh sáng đủ mạnh tại điểm đến, tàu mang theo vật liệu có thể tự giải phóng nhiệt rồi chuyển nhiệt đó thành điện. [1]

Đó cũng là giá trị rộng hơn của công nghệ này đối với thám hiểm không gian. Các vùng tối, nhiều bụi, lạnh hoặc xa không còn bị loại khỏi kế hoạch chỉ vì thiếu ánh nắng thích hợp. Khi nhìn Voyager dưới góc độ ấy, thành tựu đáng chú ý không chỉ là quãng đường con tàu đã đi, mà còn là một lựa chọn năng lượng cho phép thiết bị tiếp tục làm việc sau khi rời rất xa nguồn sáng quen thuộc của hệ Mặt Trời. [1]