NASA đang hướng tới cuối năm 2028 để phóng Space Reactor-1 Freedom (SR-1 Freedom), một tàu vũ trụ nặng khoảng 12 tấn mang theo lò phản ứng phân hạch uranium vào không gian sâu. Lò phản ứng sẽ tạo điện để vận hành động cơ đẩy Hall trên hành trình tới Sao Hỏa, đánh dấu lần đầu tiên Mỹ thử sử dụng một lò phản ứng hạt nhân để cung cấp năng lượng cho động cơ của tàu vũ trụ trên hành trình liên hành tinh ngoài quỹ đạo Trái Đất.
Theo kế hoạch, SR-1 Freedom sẽ kích hoạt lò phản ứng sử dụng uranium làm giàu thấp hàm lượng cao, công suất điện khoảng 20 kW, sau khi thoát khỏi vùng lân cận Trái Đất. Điện năng tạo ra sẽ vận hành hệ thống động cơ Hall và hỗ trợ tàu triển khai ba trực thăng SkyFall tại Sao Hỏa vào năm 2029.
Tuy nhiên, đây vẫn là kế hoạch nhiệm vụ, chưa phải một vụ phóng đã được đặt lịch với tên lửa cụ thể. NASA hiện đặt mục tiêu phóng vào cuối năm 2028, trong đó các tài liệu chương trình xác định tháng 12, và tiếp cận Sao Hỏa vào năm 2029.
SR-1 Freedom sẽ không hạ cánh trên Sao Hỏa và cũng không phải nguyên mẫu tàu có người lái. Đây là nhiệm vụ bay ngang Sao Hỏa, triển khai tải trọng khoa học và trình diễn công nghệ, nhằm kiểm chứng khả năng vận hành một hệ thống gồm lò phản ứng, bộ chuyển đổi năng lượng và động cơ điện trong không gian sâu.
Thời điểm cuối năm 2028 có ý nghĩa quan trọng vì cơ hội phóng thuận lợi tới Sao Hỏa chỉ xuất hiện khoảng 26 tháng một lần. NASA dự kiến tận dụng Cấu phần Điện và Lực đẩy (PPE) vốn được phát triển cho trạm không gian Gateway quanh Mặt Trăng, kết hợp với lò phản ứng do Bộ Năng lượng Mỹ hỗ trợ và hệ thống động cơ điện đã được phát triển trước đó.
Việc tái sử dụng phần cứng giúp rút ngắn thời gian phát triển, nhưng không loại bỏ những thách thức kỹ thuật. Lò phản ứng, bộ chuyển đổi năng lượng, hệ thống tản nhiệt, che chắn bức xạ, thân tàu và động cơ phải hoạt động như một hệ thống thống nhất trong môi trường không gian sâu.
Lò phản ứng thực sự, không phải “pin hạt nhân”
Nhiều tàu vũ trụ từng sử dụng năng lượng hạt nhân, trong đó có Voyager, New Horizons, Curiosity và Perseverance. Tuy nhiên, những tàu này sử dụng hệ thống điện đồng vị phóng xạ, thu nhiệt từ quá trình phân rã tự nhiên của plutonium-238. Chúng không có phản ứng dây chuyền được duy trì.
SR-1 Freedom sẽ sử dụng một lò phản ứng phân hạch thực sự, trong đó các nguyên tử uranium được phân tách trong một phản ứng có kiểm soát để tạo nhiệt. Hệ thống chu trình Brayton kín sau đó chuyển một phần nhiệt thành điện, với công suất khoảng 20 kW.
Đây là điểm khác biệt quan trọng. Mỹ từng đưa lò phản ứng phân hạch SNAP-10A lên quỹ đạo Trái Đất năm 1965 và các lò phản ứng hạt nhân đã được vận hành trong không gian. Nhưng chưa có lò phản ứng nào cung cấp năng lượng cho một tàu vũ trụ trên hành trình liên hành tinh vượt ra ngoài quỹ đạo Trái Đất.
SR-1 Freedom được thiết kế để thực hiện bước đi đó.
Từ phân hạch uranium đến lực đẩy
Lò phản ứng trước tiên tạo nhiệt. Hệ thống Brayton khép kín đưa một chất khí được tuần hoàn liên tục qua turbine để biến nhiệt từ lò phản ứng thành điện. Phần nhiệt còn lại phải được thải ra không gian thông qua các tấm tản nhiệt lớn.
Điện năng sau đó được đưa tới động cơ Hall. Điện trường và từ trường ion hóa khí đẩy, chẳng hạn xenon, rồi gia tốc các hạt tích điện ra phía sau, tạo lực đẩy.
Động cơ Hall có ưu điểm là sử dụng nhiên liệu hiệu quả và có thể hoạt động liên tục trong thời gian dài. Nhưng lực đẩy rất nhỏ, không thể thay thế tên lửa hóa học trong quá trình rời Trái Đất. Vì vậy, tên lửa hóa học sẽ đưa SR-1 vào quỹ đạo thoát khỏi Trái Đất trước khi lò phản ứng được kích hoạt.
Công nghệ này cũng khác với động cơ nhiệt hạt nhân. Động cơ nhiệt hạt nhân sử dụng lò phản ứng để trực tiếp nung nóng nhiên liệu đẩy rồi phun qua vòi, tạo lực đẩy lớn. Với SR-1, nhiệt từ phản ứng phân hạch được chuyển thành điện trước, sau đó điện năng vận hành động cơ Hall. Đây là hệ thống lực đẩy thấp nhưng có thể hoạt động trong thời gian dài.
Tận dụng phần cứng Gateway
Một phần quan trọng của SR-1 Freedom đến từ chương trình Gateway. NASA đang tận dụng Cấu phần Điện và Lực đẩy, nền tảng vốn được thiết kế để cung cấp điện và lực đẩy cho trạm không gian quanh Mặt Trăng.
Hệ thống này có công suất điện khoảng 48 kW và được thiết kế để sử dụng động cơ điện. SR-1 sẽ bổ sung hệ thống lò phản ứng 20 kW cùng bộ chuyển đổi năng lượng. Thiết kế nhiệm vụ vẫn giữ các tấm pin Mặt Trời lớn của nền tảng ban đầu.
Thách thức lớn không nằm ở việc phát triển động cơ Hall từ đầu, mà là tích hợp lò phản ứng hạt nhân, hệ thống chuyển đổi Brayton, điện tử công suất và động cơ thành một hệ thống có thể tự vận hành trong không gian sâu.
Một chỉ thị của NASA hồi tháng 5 đã chuyển hướng sử dụng Cấu phần Điện và Lực đẩy, các khoản kinh phí phóng liên quan và nguồn lực nhiệm vụ tương lai của Gateway sang SR-1. Cách tiếp cận này tận dụng phần cứng đang được phát triển, nhưng đồng thời đặt ra các yêu cầu mới về tản nhiệt, che chắn bức xạ, phần mềm điều khiển và kết cấu.
Lò phản ứng chỉ hoạt động sau khi rời Trái Đất
Theo kế hoạch, lò phản ứng sẽ không hoạt động khi phóng. Tên lửa hóa học đảm nhiệm việc đưa SR-1 rời Trái Đất, sau đó tàu đi vào quỹ đạo thoát khỏi Trái Đất trước khi kích hoạt lò phản ứng trong vòng khoảng 48 giờ.
Cách tiếp cận này nhằm giảm rủi ro phóng xạ. Khi chưa hoạt động, lò phản ứng chưa tạo ra các sản phẩm phân hạch có độ phóng xạ cao. Tuy nhiên, nhiên liệu, cơ cấu điều khiển và kết cấu bảo vệ vẫn phải chịu được rung động khi phóng, các tình huống phóng thất bại và những kịch bản tai nạn có thể xảy ra.
Sau khi kích hoạt, lò phản ứng phải tự kiểm soát phản ứng dây chuyền, đồng thời duy trì nhiệt độ của toàn bộ tàu trong giới hạn cho phép. Lò phản ứng sẽ được đặt cách xa các thiết bị điện tử và tải trọng, với hệ thống che chắn bảo vệ phần còn lại của tàu khỏi bức xạ.
Do đó, SR-1 không chỉ là phép thử công nghệ mà còn là thử nghiệm quan trọng đối với các quy trình an toàn và quản lý những hệ thống hạt nhân hoạt động ngoài quỹ đạo Trái Đất.
Ba trực thăng sẽ được đưa tới Sao Hỏa
SR-1 Freedom còn đóng vai trò phương tiện vận chuyển. Khi tiếp cận Sao Hỏa, tàu dự kiến triển khai SkyFall, tải trọng gồm ba trực thăng nhỏ phát triển dựa trên công nghệ của Ingenuity.
Các trực thăng sẽ mang camera, radar xuyên đất và thiết bị đo nhiệt độ, tốc độ cũng như hướng gió. Chúng được thiết kế để lập bản đồ địa hình, khảo sát những khu vực tiềm năng cho hoạt động thăm dò và tìm kiếm băng nước dưới bề mặt.
Nếu được triển khai đúng kế hoạch, SR-1 Freedom sẽ đánh dấu một bước chuyển quan trọng trong công nghệ động lực không gian: từ sử dụng năng lượng hạt nhân như một nguồn điện thụ động cho tàu vũ trụ sang sử dụng lò phản ứng phân hạch để trực tiếp cung cấp năng lượng cho hệ thống động lực liên hành tinh.
Đây có thể là bước thử nghiệm đầu tiên cho một công nghệ mà NASA kỳ vọng sẽ giúp các tàu vũ trụ hoạt động xa Mặt Trời hơn, đồng thời mở rộng khả năng thực hiện các sứ mệnh dài ngày tới Sao Hỏa và những khu vực khác trong Hệ Mặt Trời.
Hình minh họa tàu Space Reactor-1 Freedom của NASA bay ngang Sao Hỏa, trình diễn công nghệ động cơ đẩy điện hạt nhân trong không gian sâu. Ảnh: NASA
