Florian Neukart, trợ lý giáo sư tại Viện Leiden, đã đề xuất Ổ đĩa Plasma Hợp nhất Từ tính (MFPD), một phương pháp đẩy không gian mới. Khái niệm này kết hợp lực đẩy phản ứng tổng hợp hạt nhân, lực đẩy ion và các công nghệ khác, dự kiến ​​sẽ đạt được mật độ năng lượng và hiệu quả sử dụng nhiên liệu cao.

Florian Neukart giới thiệu Ổ đĩa Plasma Hợp nhất Từ tính, một phương pháp đẩy mang tính cách mạng kết hợp công nghệ phản ứng tổng hợp hạt nhân và ion. Nó có mật độ năng lượng khổng lồ và vô số lợi ích có thể định hình lại hoạt động khám phá không gian, mặc dù vẫn còn những thách thức trong việc duy trì các phản ứng tổng hợp hạt nhân trong không gian.

Sứ mệnh tới mặt trăng, sứ mệnh tới sao Hỏa, robot thám hiểm vùng ngoài hệ mặt trời, sứ mệnh tới các ngôi sao gần nhất và thậm chí cả tàu vũ trụ đuổi theo các vật thể liên sao đi qua hệ thống của chúng ta. Nếu bạn đang nghĩ điều này nghe giống như một mô tả về kỷ nguyên khám phá không gian sắp tới thì bạn đã đúng! Hiện tại, có nhiều kế hoạch và đề xuất gửi phi hành gia và/hoặc tàu thăm dò đến tất cả các điểm đến này để thực hiện một số nghiên cứu khoa học sinh lợi nhất từng được thực hiện. Đương nhiên, hồ sơ của các nhiệm vụ này đưa ra nhiều thách thức khác nhau, trong đó ít nhất là vấn đề thăng tiến.

Nói một cách đơn giản, nhân loại đã đạt đến giới hạn của máy đẩy (hóa học) thông thường. Việc gửi các sứ mệnh tới Sao Hỏa và các điểm đến trong không gian sâu khác đòi hỏi các công nghệ đẩy tiên tiến mang lại khả năng tăng tốc cao (delta-v), xung lực cụ thể (Isp) và tiết kiệm nhiên liệu. Florian Neukart, giáo sư tại Đại học Leiden, đã đề xuất trong một bài báo gần đây rằng các sứ mệnh trong tương lai có thể dựa vào một khái niệm động cơ đẩy mới gọi là truyền động plasma tổng hợp từ tính (MFPD). Thiết bị này kết hợp các khía cạnh của các phương pháp đẩy khác nhau để tạo ra một hệ thống có mật độ năng lượng cao và hiệu quả sử dụng nhiên liệu cao hơn đáng kể so với các phương pháp truyền thống.


Làm thế nào con người có thể du hành đến hệ sao gần nhất trong cuộc đời của chúng ta? Nguồn hình ảnh: Marsh Maomi/The God Craftsman Project

Florian Neukart là trợ lý giáo sư tại Viện Khoa học Máy tính Cao cấp Leiden (LIACS) tại Đại học Leiden và là thành viên hội đồng quản trị của TerraQuantum AG, một nhà phát triển công nghệ lượng tử Thụy Sĩ. Bản in trước của bài báo của ông gần đây đã được xuất bản trực tuyến và hiện đang được Elsevier xem xét.

Tại sao cần có công nghệ đẩy tiên tiến?

Neukat tin rằng các công nghệ có thể vượt qua lực đẩy hóa học truyền thống (CCP) là rất quan trọng trong kỷ nguyên khám phá không gian ngày nay. Đặc biệt, những công nghệ này phải mang lại hiệu quả sử dụng năng lượng, lực đẩy lớn hơn và khả năng thực hiện các nhiệm vụ trong thời gian dài.

Điều này đặc biệt đúng đối với các sứ mệnh tới Sao Hỏa và các địa điểm khác bên ngoài hệ Trái đất-Mặt trăng, vì những sứ mệnh này gây ra mối đe dọa nghiêm trọng đối với sức khỏe, sự an toàn và hạnh phúc của các phi hành gia. Ngay cả khi Trái đất và Sao Hỏa ở gần nhau nhất cứ sau 26 tháng (Sao Hỏa phản đối), chuyến bay một chiều tới Sao Hỏa sẽ mất tới chín tháng. Kết hợp với các hoạt động trên mặt đất có thể kéo dài tới một năm và chuyến trở về kéo dài 9 tháng, sứ mệnh sao Hỏa có thể kéo dài tới 900 ngày! Trong giai đoạn này, các phi hành gia sẽ phải tiếp xúc với bức xạ vũ trụ và mặt trời ở mức độ cao, chưa kể cơ thể họ sẽ bị tổn hại do vi trọng lực trong thời gian dài.

Do đó, NASA và các cơ quan vũ trụ khác đang tích cực nghiên cứu các phương pháp đẩy khác. Như ở bài viết trước Mất bao lâu để du hành đến ngôi sao gần nhất? Chúng bao gồm các khái niệm tiết kiệm nhiên liệu như động cơ đẩy điện hoặc động cơ đẩy ion, sử dụng trường điện từ để ion hóa chất đẩy trơ như xenon và tăng tốc nó qua vòi phun để tạo lực đẩy. Tuy nhiên, những khái niệm này thường tạo ra lực đẩy ít hơn và phải dựa vào các nguồn năng lượng hạng nặng (mảng năng lượng mặt trời hoặc lò phản ứng hạt nhân) để tạo ra lực đẩy lớn hơn.


Hình minh họa của nghệ sĩ về tàu thăm dò không gian IKAROS đang bay, tàu vũ trụ đầu tiên trình diễn thành công công nghệ cánh buồm mặt trời trong không gian liên hành tinh. Nguồn: Andrzej Mirecki

Cánh buồm mặt trời là một lựa chọn khác có thể tạo ra gia tốc bền vững trong khi không cần chất đẩy (do đó tiết kiệm khối lượng). Tuy nhiên, các sứ mệnh được trang bị công nghệ này bị hạn chế về lực đẩy và phải hoạt động ở gần mặt trời hơn. Một bước ngoặt trong ý tưởng này là việc sử dụng các dãy laser loại gigawatt (GWe) để tăng tốc tàu vũ trụ được trang bị cánh buồm tới tốc độ tương đối tính (một phần tốc độ ánh sáng). Tuy nhiên, khái niệm này đòi hỏi cơ sở hạ tầng đắt tiền và lượng năng lượng khổng lồ để thực hiện.

Sức đẩy hạt nhân và nhiệt hạch

Một khái niệm phổ biến khác là Sức đẩy nhiệt hạt nhân (NTP), Cơ quan Hàng không và Vũ trụ Quốc gia (NASA) và Cơ quan Dự án Nghiên cứu Tiên tiến Quốc phòng Hoa Kỳ (DARPA) hiện đang phát triển động cơ đẩy này dưới dạng Tên lửa trình diễn hoạt động trên mặt trăng linh hoạt (DRACO). Phương pháp này dựa vào lò phản ứng hạt nhân để làm nóng chất đẩy (chẳng hạn như hydro lỏng), khiến nó giãn nở qua vòi phun để tạo lực đẩy. Ưu điểm của NTP bao gồm mật độ năng lượng cao và khả năng tăng tốc cao, nhưng nó cũng phải đối mặt với nhiều thách thức về kỹ thuật và an toàn liên quan đến việc xử lý và phóng vật liệu hạt nhân.


Tàu vũ trụ được cung cấp năng lượng bởi lò phản ứng positron sẽ giống với quan niệm của nghệ sĩ về tàu vũ trụ mang sứ mệnh tham chiếu sao Hỏa. Nguồn: NASA

Ngoài ra còn có các khái niệm động cơ đẩy sử dụng các phản ứng tổng hợp hạt nhân, chẳng hạn như phản ứng deuterium-tritium (D-T) và deuterium-hydrogen 3 (D-He3), mà các nhà khoa học lý thuyết đã nghiên cứu trong nhiều thập kỷ. Những phương pháp này mang lại tiềm năng đạt được lực đẩy cao và xung lượng riêng cực cao, nhưng cũng đặt ra những thách thức kỹ thuật, chủ yếu trong số đó là cách xử lý nhiên liệu cần thiết và đạt được các phản ứng nhiệt hạch bền vững và có thể kiểm soát được. Ngoài ra còn có một số khái niệm kỳ lạ hơn, chẳng hạn như lực đẩy phản vật chất và động cơ dọc Alcubierre, nhưng cả hai đều không khả thi trong tương lai gần.

Khái niệm mang tính cách mạng của Newkart

Đề xuất của Newkart kết hợp động cơ đẩy nhiệt hạch, động cơ đẩy ion và các khái niệm khác. Như ông đã giải thích với Universe Today qua email:

"MFPD là một hệ thống đẩy được sử dụng trong thám hiểm không gian sử dụng các phản ứng tổng hợp hạt nhân có kiểm soát làm nguồn năng lượng chính để tạo ra cả lực đẩy và tiềm năng điện. Tiền đề của hệ thống là sử dụng các phản ứng tổng hợp hạt nhân (thường liên quan đến các đồng vị của hydro hoặc heli) để tạo ra năng lượng khổng lồ được tạo ra tạo ra khí thải hạt tốc độ cao, từ đó tạo ra lực đẩy theo định luật thứ ba của Newton. Từ trường trường được sử dụng để hạn chế và điều khiển plasma được tạo ra bởi phản ứng nhiệt hạch nhằm đảm bảo khả năng kiểm soát và tính định hướng của việc giải phóng năng lượng. Đồng thời, khái niệm MFPD cũng dự tính khả năng chuyển đổi một phần năng lượng nhiệt hạch thành năng lượng điện để duy trì hệ thống trên tàu vũ trụ và hệ thống kiểm soát phản ứng khả thi.”


Khái niệm của nghệ sĩ về tên lửa nhiệt hạt nhân hai chế độ ở quỹ đạo Trái đất thấp. Nguồn: NASA

Để phát triển khái niệm này, Newkart đã bắt đầu với phản ứng tổng hợp deuterium-tritium (D-T) vì đây là một trong những phản ứng được nghiên cứu và hiểu rõ nhất, cung cấp cơ sở rõ ràng và quen thuộc để xây dựng các nguyên tắc và cơ học cốt lõi của MFPD. Ngoài ra, Neukart nói thêm rằng phản ứng D-T có nhiệt độ đánh lửa tương đối thấp và tiết diện cao so với các khái niệm khác, khiến nó trở thành một "điểm khởi đầu" tốt. Do đó, chúng cung cấp một chuẩn mực hữu ích để đo lường và so sánh hiệu suất của các hệ thống động cơ đẩy lý thuyết như vậy.

Tuy nhiên, mục tiêu cuối cùng của MFPD là khai thác phản ứng tổng hợp phi neutron (p-B11), trong đó rất ít năng lượng giải phóng từ phản ứng được neutron mang theo. Ngược lại, các phản ứng phi neutron giải phóng năng lượng dưới dạng hạt tích điện (thường là proton hoặc hạt alpha), làm giảm đáng kể mức độ bức xạ neutron được tạo ra.

Ưu điểm của công nghệ phân hủy đa phương tiện

Ưu điểm của hệ thống này là rõ ràng. Nó kết hợp xung lực riêng cao và mật độ năng lượng khổng lồ, đồng thời có thể cung cấp lực đẩy và năng lượng từ một nguồn năng lượng duy nhất. Neuckert cho biết các ưu điểm khác bao gồm:

Xung riêng cao: MFPD có thể cung cấp xung riêng cao, mang lại những thay đổi vận tốc lớn (delta-v) cho tàu vũ trụ, giúp thực hiện các nhiệm vụ tới các thiên thể xa xôi.

Nhiên liệu năng lượng cao: Nhiên liệu nhiệt hạch (chẳng hạn như đồng vị của hydro) có mật độ năng lượng cao đáng ngạc nhiên, có khả năng mở rộng sứ mệnh mà không cần lượng lớn nhiên liệu đẩy.

Tỷ lệ khối lượng thấp hơn: Thiết kế tàu vũ trụ có thể giảm tỷ lệ khối lượng của việc lưu trữ nhiên liệu, mang lại sự phân bổ khối lượng lớn hơn cho các thiết bị khoa học hoặc công nghệ bổ sung.

Mục đích kép: Không chỉ là hệ thống đẩy, bộ đẩy đa năng còn cung cấp năng lượng cho các hệ thống và thiết bị của tàu vũ trụ, điều này rất quan trọng đối với các nhiệm vụ kéo dài.

Khả năng thích ứng: Khả năng điều chỉnh lực đẩy và xung lực cụ thể, mang lại tính linh hoạt cho các giai đoạn nhiệm vụ khác nhau như tăng tốc, hành trình và giảm tốc.

Giảm thời gian di chuyển: Lực đẩy bền vững hơn có thể rút ngắn đáng kể thời gian di chuyển đến các điểm đến ở xa, giảm rủi ro liên quan đến phơi nhiễm bức xạ vũ trụ và quản lý tài nguyên trên tàu.

Che chắn bức xạ: Mặc dù đầy thách thức nhưng vẫn có thể thiết kế từ trường và cấu trúc vật lý vốn có để sử dụng plasma và từ trường nhằm cung cấp mức độ che chắn bức xạ cho tàu vũ trụ và phi hành đoàn.

Không phụ thuộc vào khoảng cách gần Mặt trời: Không giống như cánh buồm mặt trời hoặc máy đẩy điện mặt trời, Máy đẩy đa trường đa năng không phụ thuộc vào khoảng cách gần Mặt trời; do đó, việc thực hiện các sứ mệnh ở bên ngoài hệ mặt trời và xa hơn là khả thi.

Giảm thiểu rủi ro ô nhiễm hạt nhân: Bởi vì phản ứng tổng hợp thường đòi hỏi ít vật liệu phóng xạ hơn so với các khái niệm nhiệt hạt nhân hoặc điện phân hạch và có khả năng giúp việc tắt lò phản ứng an toàn hơn, nên pin nhiên liệu đa chức năng có thể được thiết kế để giảm thiểu nguy cơ ô nhiễm phóng xạ.

Tác động và thách thức

Về tác động của hệ thống đối với việc khám phá không gian, Nuekart nhấn mạnh rằng nó sẽ có thể di chuyển trong thời gian ngắn hơn. về các sứ mệnh không gian kéo dài (tiếp xúc với bức xạ và vi trọng lực), cách mạng hóa thiết kế tàu vũ trụ bằng cách cung cấp cả động cơ đẩy và năng lượng điện, đồng thời nâng cao khả năng khám phá của con người.

Trong số những thứ khác, ông dự đoán tiềm năng của các công nghệ phụ trong khoa học vật liệu, vật lý plasma và sản xuất năng lượng cũng có ứng dụng trên Trái đất. Sự phát triển của hệ thống cũng có thể thúc đẩy hợp tác quốc tế, tập hợp các chuyên gia và nguồn lực từ nhiều lĩnh vực để đạt được các mục tiêu thăm dò chung.

Tất nhiên, không có đề xuất công nghệ thế hệ tiếp theo nào có thể hoàn thiện nếu không có một số cảnh báo và phụ lục. Ví dụ, Nuecat cho biết, thách thức chính đối với công nghệ đẩy MFPD là đạt được và duy trì mối quan hệ nhiệt hạch ổn định trong không gian. Trên Trái đất, các nhà nghiên cứu đã đạt được tiến bộ đáng kể trong lĩnh vực giam cầm từ tính (MCF) và phản ứng tổng hợp giam cầm quán tính (ICF). Cái trước liên quan đến lò phản ứng tokamak sử dụng từ trường để giam giữ phản ứng tổng hợp dưới dạng plasma, trong khi cái sau dựa vào tia laser để nén và làm nóng các tấm nhiên liệu D-T. Tuy nhiên, các thí nghiệm tương tự chưa được thực hiện trong không gian, đặt ra câu hỏi về cách hệ thống xử lý nhiệt sinh ra từ phản ứng, bức xạ sinh ra và những ảnh hưởng lên cấu trúc của tàu vũ trụ. Mặc dù vậy, cuộc thử nghiệm hạt nhân trong không gian (người trình diễn DRACO đã nói ở trên) đã bắt đầu. Với những ưu điểm của công nghệ động cơ phản ứng tổng hợp hạt nhân, nó khó có thể nằm trên bảng vẽ quá lâu. Cuối cùng, Nuecat cho biết, nghiên cứu máy đẩy đa nhiên liệu nhằm mục đích thiết lập con đường dẫn đến thám hiểm giữa các vì sao và (một ngày nào đó):

"Sẽ có những thách thức không thể phủ nhận và những trở ngại khoa học trong việc hiện thực hóa khái niệm phân hủy xúc tác đa phương tiện, nhưng phần thưởng tiềm năng là rất lớn." kỷ nguyên mới của sự khám phá, khám phá và hiểu biết về vũ trụ. Chúng tôi hy vọng nghiên cứu này sẽ gieo mầm mống cho sự tò mò, đổi mới và quyết tâm giữa các nhà khoa học, kỹ sư và nhà thám hiểm trên khắp thế giới nhằm vạch ra lộ trình cho tương lai giữa các vì sao của chúng ta."

Chuyển thể từ một bài báo ban đầu được xuất bản trên Universe Today.