NASA từng chứng minh động cơ tên lửa nhiệt hạt nhân có thể hoạt động từ hơn nửa thế kỷ trước, nhưng chương trình bị hủy bỏ trước khi có bất kỳ chuyến bay nào. Hiện nay, cơ quan này đang xem xét hồi sinh công nghệ với kỳ vọng rút ngắn đáng kể thời gian đưa con người tới Sao Hỏa.
Vào thập niên 1960, NASA và Ủy ban Năng lượng Nguyên tử Mỹ đã phát triển động cơ tên lửa nhiệt hạt nhân và tiến hành hàng chục cuộc thử nghiệm tại sa mạc Nevada.
Các thử nghiệm đều thành công, chứng minh công nghệ có thể vận hành như thiết kế. Tuy nhiên, trước khi bất kỳ động cơ nào được đưa vào không gian, chương trình đã bị dừng lại.
Nhiều thập kỷ sau, ý tưởng này được khôi phục nhờ tiềm năng giúp các chuyến bay tới Sao Hỏa diễn ra nhanh hơn so với tên lửa hóa học.
Theo các chuyên gia, nguyên lý vật lý của động cơ nhiệt hạt nhân chưa bao giờ thay đổi. Điều khiến chương trình nhiều lần bị gián đoạn chủ yếu là những thay đổi về chính trị và ngân sách.
Động cơ được chứng minh nhưng chưa từng bay vào không gian
Chương trình phát triển động cơ bắt đầu với Project Rover tại Phòng thí nghiệm Quốc gia Los Alamos, sau đó trở thành dự án dân sự khi NASA được thành lập. Nhánh phát triển động cơ mang tên NERVA (Nuclear Engine for Rocket Vehicle Application).
Từ năm 1959 đến 1972, chương trình đã thực hiện 23 lần thử nghiệm lò phản ứng tại khu thử nghiệm Jackass Flats thuộc bãi thử hạt nhân Nevada.
Qua mỗi lần thử nghiệm, các kỹ sư đều cải tiến thiết kế để động cơ hoạt động ở nhiệt độ cao hơn, công suất lớn hơn và trong thời gian dài hơn.
Đến cuối chương trình, động cơ đã được khởi động nhiều lần, có thể tái khởi động và duy trì lực đẩy tối đa trong thời gian dài. NASA khi đó đánh giá công nghệ về cơ bản đã được chứng minh trên mặt đất.
Tuy nhiên, không một động cơ nào từng được đưa lên không gian.
Một dự án thử nghiệm động cơ trên quỹ đạo bị hủy bỏ, trong khi cả Project Rover và NERVA chính thức chấm dứt vào đầu năm 1973.
Nguyên nhân không phải do công nghệ thất bại mà vì các sứ mệnh dự kiến sử dụng loại động cơ này, như đưa con người lên Sao Hỏa hay xây dựng căn cứ lâu dài ngoài Mặt Trăng, không còn được cấp kinh phí. Khi chương trình Apollo khép lại và NASA chuyển trọng tâm sang tàu con thoi Space Shuttle, động cơ nhiệt hạt nhân không còn mục tiêu để phục vụ.
Động cơ nhiệt hạt nhân hoạt động như thế nào?
Khác với nhiều người lầm tưởng, động cơ nhiệt hạt nhân không phải bom hạt nhân và cũng không tạo ra vụ nổ hạt nhân.
Thay vì đốt nhiên liệu hóa học để tạo lực đẩy, hệ thống sử dụng nhiệt từ một lò phản ứng hạt nhân có kiểm soát. Khí hydro được bơm qua lõi lò phản ứng, nung nóng tới nhiệt độ rất cao rồi phụt ra phía sau qua vòi phun để tạo lực đẩy.
Ưu điểm lớn nhất của công nghệ này là hiệu suất sử dụng nhiên liệu.
Theo chỉ số xung lực riêng (specific impulse) – thước đo hiệu quả sử dụng nhiên liệu của động cơ tên lửa – động cơ nhiệt hạt nhân đạt khoảng 850-900 giây, gần gấp đôi mức khoảng 450 giây của các động cơ hóa học hiện đại. Điều này cho thấy động cơ tạo ra nhiều lực đẩy hơn với cùng một lượng nhiên liệu, hoặc đạt cùng hiệu quả với lượng nhiên liệu ít hơn.
Đối với các sứ mệnh tới Sao Hỏa, lợi thế này cho phép tàu vũ trụ mang ít nhiên liệu hơn hoặc bay nhanh hơn, từ đó rút ngắn thời gian hành trình.
Theo các chuyên gia, điều đó không chỉ giúp tăng hiệu quả của sứ mệnh mà còn giảm thời gian phi hành gia phải tiếp xúc với bức xạ vũ trụ, sống trong môi trường không trọng lực và mang theo lượng lớn nhu yếu phẩm.
Tuy nhiên, động cơ nhiệt hạt nhân không thể giảm một nửa thời gian bay tới Sao Hỏa trong mọi trường hợp. Mức cải thiện còn phụ thuộc vào thiết kế của từng sứ mệnh.
Hồi sinh rồi lại bị hủy bỏ
Trong những năm gần đây, NASA và Cơ quan Các dự án nghiên cứu quốc phòng tiên tiến Mỹ (DARPA) đã triển khai chương trình DRACO (Demonstration Rocket for Agile Cislunar Operations) nhằm chế tạo và lần đầu thử nghiệm động cơ nhiệt hạt nhân trong không gian.
Lockheed Martin được lựa chọn phát triển hệ thống này với lò phản ứng sử dụng uranium làm giàu thấp thay vì uranium cấp độ vũ khí như các thiết kế từ thập niên 1960. Chuyến bay thử dự kiến diễn ra vào nửa sau thập niên 2020.
Tuy nhiên, lịch sử một lần nữa lặp lại.
Năm 2025, DARPA quyết định hủy chương trình DRACO. Dự toán ngân sách sau đó cũng không còn phân bổ kinh phí cho các chương trình động cơ nhiệt hạt nhân và động cơ điện hạt nhân.
Lần này, nguyên nhân không phải do công nghệ gặp bế tắc mà xuất phát từ bài toán kinh tế.
Sự phát triển của các tên lửa tái sử dụng cùng triển vọng của những phương tiện siêu lớn như Starship của SpaceX đã giúp chi phí phóng giảm mạnh, làm suy yếu lợi thế kinh tế vốn là động lực chính của động cơ nhiệt hạt nhân.
Vì sao công nghệ này vẫn được theo đuổi?
Dù nhiều lần bị đình chỉ, động cơ nhiệt hạt nhân vẫn liên tục được nhắc đến mỗi khi các kế hoạch đưa con người lên Sao Hỏa được thúc đẩy. Lý do là công nghệ này mang lại lợi thế rõ rệt về hiệu suất đối với các sứ mệnh chở người và hàng hóa nặng trong Hệ Mặt Trời.
Tuy nhiên, nhiều thách thức vẫn chưa được giải quyết.
Động cơ đòi hỏi vật liệu có khả năng chịu được dòng hydro ở nhiệt độ cực cao, trong khi hydro lỏng rất khó bảo quản trong nhiều tháng vì liên tục bay hơi.
Ngoài ra, việc phóng và vận hành lò phản ứng hạt nhân cũng đặt ra nhiều vấn đề về an toàn và chính trị, dù lò phản ứng chỉ được kích hoạt sau khi lên quỹ đạo và gần như không phát xạ đáng kể trong quá trình phóng. Chi phí phát triển công nghệ cũng rất lớn và phải cạnh tranh với những giải pháp rẻ hơn.
Hiện chưa có kế hoạch cụ thể nào để nối lại các chuyến bay thử nghiệm động cơ nhiệt hạt nhân.
Điều giới quan sát theo dõi trong những năm tới là liệu NASA hoặc một công ty tư nhân có quyết định đưa công nghệ này trở lại không gian hay không, qua đó hoàn thành bước cuối cùng mà chương trình NERVA còn dang dở hơn nửa thế kỷ trước.
Ảnh minh họa một cuộc thử nghiệm động cơ tên lửa. Ảnh: SpaceX
