Tên lửa hạt nhân hai chế độ, rút chuyến sao Hoả còn 335 ngày

Hãy thử tưởng tượng bạn phải ngồi yên trong một căn phòng kín suốt 620 ngày, không có siêu thị, không có bệnh viện, không ai gửi đồ tiếp tế được. Đó chính là kịch bản ngắn nhất mà NASA hiện có cho một chuyến đưa người tới sao Hoả rồi quay về: 620 ngày trong không gian, cộng thêm 30 ngày đứng trên bề mặt hành tinh đỏ.

Kẻ thù lớn nhất của chuyến đi ấy hoá ra không phải khoảng cách, mà là thời gian. Càng ở lâu ngoài đó, hệ hỗ trợ sự sống càng dễ hỏng, xác suất gặp tai nạn càng cao, và cơ thể người càng ngấm lâu tình trạng không trọng lượng cùng bức xạ từ Mặt Trời và từ vũ trụ. Hai kỹ sư đang đề xuất một cách để cắt con số đó xuống còn 335 ngày hoặc ít hơn.

Cỗ máy đó trông ra sao

Thứ họ vẽ ra tên là tên lửa hạt nhân lưỡng chế đồng bộ (synchronal bimodal nuclear rocket), viết tắt S-BNR. Nghe phức tạp, nhưng hình dung thì khá đơn giản.

Hãy nghĩ tới một khối trụ đặc, nằm ở đuôi con tàu vũ trụ, chỗ mà tên lửa thường gắn động cơ. Bên trong khối trụ là lò phản ứng hạt nhân (nuclear reactor), tức là nơi các hạt nhân uranium tự tách ra và toả nhiệt. Bao quanh lò là một vòng các ống trụ dài xoay được, gọi là trống điều khiển (control drum). Mỗi trống làm bằng beryllium, có một phần bề mặt phủ boron carbide. Xoay mặt phủ boron vào trong thì lò nguội đi, xoay mặt beryllium vào trong thì lò nóng lên. Giống hệt việc bạn xoay núm bếp ga, chỉ khác là núm này điều khiển phản ứng hạt nhân.

Điểm mới nằm ở ruột lò. Nó được chia làm hai vùng, mỗi vùng một loại thanh nhiên liệu, và mỗi vùng có đường ống chất lỏng riêng, hoàn toàn không thông nhau.

Vùng thứ nhất chứa các thanh nhiên liệu nhiệt độ cao, bên trong là những viên uranium nhỏ bọc zirconium carbide, xếp thành lớp như một hũ bi. Hydro lỏng được bơm len qua các khe giữa những viên bi ấy, nóng lên trên 2.700 kelvin, rồi phụt ra ngoài thành luồng khí đẩy con tàu tới trước.

Vùng thứ hai chứa các thanh nhiệt độ thấp, chạy quanh năm suốt tháng ở khoảng 1.200 kelvin trở lên. Ở đây có một chất lỏng chảy vòng kín, hút nhiệt rồi làm quay tuabin để phát điện cho toàn bộ con tàu.

Cần nói rõ ngay: cỗ máy này chưa tồn tại. Chưa có bản mẫu, chưa có ai bán, chưa từng bay thử. Nó mới nằm ở giai đoạn mô hình trên máy tính.

Trước đây người ta xoay xở thế nào

Từ năm 1946 các nhà nghiên cứu đã đoán ra lò phản ứng hạt nhân có thể làm động cơ tên lửa cực tốt. Trong thập niên 1950 và 1960, hai chương trình Rover và NERVA đã thử nghiệm thật trên mặt đất. Đầu thập niên 1970 công nghệ chín tới mức người ta lên kế hoạch bay thử, rồi năm 1973 mọi thứ bị dừng vì lý do chính trị và tiền bạc.

Song song là hướng đẩy điện, tức là dùng điện tạo ra từ trường và điện trường để bắn ra ngoài một chất đẩy đã bị ion hoá, thường là xenon hoặc lithium. Tàu Dawn phóng năm 2007 đi thăm tiểu hành tinh bằng động cơ kiểu này. Nhưng tới nay mọi động cơ đẩy điện từng bay đều lấy điện từ pin mặt trời, mà càng ra xa Mặt Trời thì ánh sáng càng thưa, dàn pin phải to lên khủng khiếp.

Ý tưởng gộp hai kiểu vào một lò đã có từ thập niên 1990. Trở ngại là các thiết kế cũ đều phải dùng một hệ van để chuyển qua lại giữa chế độ đẩy và chế độ phát điện. Van đó phải kín tuyệt đối, chịu phóng xạ, chịu nóng, suốt nhiều tháng hoặc nhiều năm. Chưa ai làm nổi. Thêm nữa, một loại thanh nhiên liệu vừa phải chịu được cú nóng dữ dội lúc tăng tốc, vừa phải bền bỉ ở nhiệt độ vừa phải trong nhiều năm, là hai đòi hỏi đánh nhau.

Nó hơn ở chỗ nào

Kurt Polzin, kỹ sư trưởng dự án động cơ đẩy hạt nhân vũ trụ của NASA tại Marshall Space Flight Center, và Robert Schleicher, kỹ sư trưởng về công nghệ và vật liệu hạt nhân tại General Atomics, gặp nhau ở một hội nghị năm 2025. Polzin phác ý tưởng ra giấy ăn, hỏi Schleicher xem có làm được không. Cách giải của họ là: bỏ hẳn van đi, cho hai vòng chất lỏng chạy riêng trong cùng một lò, mỗi vùng dùng đúng loại thanh nhiên liệu hợp với nó.

Vì sao hạt nhân lại nhanh hơn? Tên lửa nào cũng đẩy khí ra sau để lao tới trước, và khí càng nóng, phân tử càng nhẹ thì càng bay nhanh. Người ta đo độ khoẻ của động cơ bằng xung lượng riêng (specific impulse), tính bằng giây. Động cơ hoá học tốt nhất hiện nay đốt hydro với oxy, sản phẩm là nước, dừng ở khoảng 450 giây vì phản ứng cháy chỉ cho từng ấy năng lượng. Lò hạt nhân nung thẳng hydro, phân tử nhẹ nhất có thể, và đạt 900 giây trở lên. Động cơ đẩy điện còn đạt 2.200 tới 4.600 giây, nhưng lực đẩy của nó yếu tới mức không thể bứt ra khỏi sức hút của một hành tinh.

Ghép lại: dùng lực đẩy hạt nhân cho những cú vọt cần sức mạnh, dùng đẩy điện cho quãng đường dài đằng đẵng, và có điện liên tục cho cả con tàu ở mọi giai đoạn. Đó là đường đi từ 620 ngày xuống 335 ngày.

Còn vướng ở đâu

Rất nhiều chỗ, và các tác giả tự liệt kê ra.

Chưa ai chế được bộ thanh nhiên liệu hai loại lắp chung mà vẫn hoạt động tử tế. Lò phải điều khiển ổn định trong một dải công suất rất rộng, từ mức nhỏ để phát điện tới hàng trăm mê ga oát nhiệt lúc tăng tốc, và phải chạy bền nhiều năm, thậm chí cả chục năm nếu bay ra vùng ngoài hệ mặt trời.

Thử trên mặt đất cũng khó. Thời Rover và NERVA, khí xả được xả thẳng ra trời, chuyện đó bây giờ không ai chấp nhận. Muốn thử thì phải hứng và lọc sạch toàn bộ khí thải có thể nhiễm xạ, mà cách làm hiện có đều rất đắt.

Cuối cùng là an toàn khi phóng. Bất kỳ con tàu kiểu này cũng sẽ được một tên lửa hoá học thông thường đưa lên, với lò hoàn toàn nguội và nhiên liệu chưa qua sử dụng. Uranium mới thật ra không phóng xạ mạnh; chỉ khi phản ứng dây chuyền bắt đầu thì các đồng vị nguy hiểm mới sinh ra. Nhưng để đi từ mô hình máy tính tới lần bay thử đầu tiên, NASA sẽ cần bắt tay với Bộ Năng lượng, Bộ Quốc phòng và nhiều đối tác trong ngành, qua hàng loạt bước thử: thử không hạt nhân, thử vật liệu, thử lò chưa nạp nhiên liệu, rồi mới tới lò thật.

Nói cách khác, đây là một bản vẽ tốt, chưa phải một cỗ máy.

Nếu chuyến đi rút từ 620 ngày xuống 335 ngày, bạn sẽ mang theo gì cho gần một năm sống không có siêu thị?

Làm thử ở nhà: thổi căng một quả bóng bay rồi buông tay. Bóng lao đi ngược chiều luồng khí thoát ra. Đó đúng là nguyên lý mà mọi tên lửa, kể cả tên lửa hạt nhân, đang dùng.

Lưu ý

Bài viết dựa trên tin khoa học đã công bố, viết lại cho bạn đọc nhỏ tuổi. Có chỗ nào con muốn tìm hiểu thêm thì rủ bố mẹ đọc cùng nhé.