NASA đã cấp khoản tài trợ giai đoạn đầu cho Helicity Space để nghiên cứu tính khả thi của Helicity Drive, một hệ thống động cơ đẩy sử dụng nhiệt hạch xung. Công ty cho rằng phiên bản quy mô lớn của động cơ này có thể đưa phi hành đoàn cùng 450 tấn hàng hóa tới Sao Hỏa và quay trở lại trong chưa đầy 4 tháng. Tuy nhiên, đây mới là một ý tưởng đang được nghiên cứu, chưa phải động cơ sẵn sàng bay hay một sứ mệnh Sao Hỏa đã được NASA phê duyệt.
Khoản tài trợ được cấp thông qua chương trình NASA Innovative Advanced Concepts (NIAC), dành cho những công nghệ có tính đột phá nhưng vẫn ở giai đoạn ý tưởng. NASA đang tài trợ một nghiên cứu khả thi kéo dài 9 tháng, chứ chưa đặt hàng động cơ nhiệt hạch hay cam kết thực hiện chuyến bay có người lái tới Sao Hỏa trong 4 tháng.
Đề xuất của Helicity Space do Setthivoine You dẫn đầu, mang tên Khám phá toàn diện Nhật quyển bằng Công nghệ Nhiệt hạch (Fusion-Enabled Comprehensive Exploration of the Heliosphere).
Theo NASA, nghiên cứu giai đoạn I tập trung đánh giá tính khả thi tổng thể, xem xét vật lý, xác định những hạn chế, xây dựng kịch bản nhiệm vụ và xác định các bước phát triển tiếp theo. Các dự án NIAC đều đang ở giai đoạn khái niệm và không phải nhiệm vụ chính thức của NASA.
Helicity Space đề xuất sử dụng một nhóm 6 tàu vũ trụ robot bay theo các hướng khác nhau qua vùng nhật quyển, tức vùng không gian chịu ảnh hưởng của gió Mặt Trời, rồi tiến vào môi trường liên sao cục bộ. Sao Hỏa chỉ là một ứng dụng tiềm năng trong tương lai nếu công nghệ động cơ chứng minh được tính khả thi.
Động cơ Helicity Drive hoạt động thế nào?
Helicity Drive thuộc nhóm động cơ nhiệt hạch từ-quán tính (magneto-inertial fusion). Ý tưởng này nằm giữa hai phương pháp nhiệt hạch quen thuộc: duy trì plasma trong thời gian dài bằng từ trường và nén nhanh nhiên liệu nhiệt hạch như trong các thí nghiệm nhiệt hạch quán tính.
Helicity Space cho rằng hệ thống dạng xung có thể tạo lực đẩy trước khi đạt tới điều kiện tạo ra năng lượng nhiệt hạch ròng như các nhà máy điện nhiệt hạch trên Trái Đất. Tuy nhiên, điều đó vẫn phải được chứng minh bằng thực nghiệm, trong đó có hiệu suất, năng lượng cung cấp cho mỗi xung và khối lượng của toàn bộ hệ thống.
Phần cứng hiện tại của Helicity Space có tên ECLAIR, một thiết bị thử nghiệm quy mô nhỏ nhằm chứng minh nguyên lý.
Hệ thống sử dụng 4 súng plasma hướng về cùng một điểm ở đầu vào của một vòi phun có hệ thống nén và giãn nở bằng từ trường. Báo cáo tại Hội nghị Vật lý Plasma của Hiệp hội Vật lý Mỹ năm 2023 cho biết ECLAIR đã tạo được plasma đầu tiên vào tháng 4/2023.
Các thí nghiệm này đang kiểm tra từng bước trong chuỗi hoạt động mà Helicity Drive dự kiến sử dụng. Chúng chưa chứng minh động cơ có thể tạo ra năng lượng nhiệt hạch hữu ích, tạo lực đẩy ở quy mô nhiệm vụ hay hoạt động với khối lượng đủ nhẹ để đưa lên tàu vũ trụ.
Để biến ý tưởng thành động cơ thực tế, các nhà nghiên cứu còn phải chứng minh khả năng đạt nhiệt độ và mật độ cần thiết, tạo các xung lặp lại ổn định, điều hướng dòng khí thải hiệu quả và bảo đảm các bộ phận chịu được điều kiện hoạt động khắc nghiệt.
Vì sao có thể đi Sao Hỏa trong chưa đầy 4 tháng?
Sức hấp dẫn của động cơ nhiệt hạch nằm ở lượng năng lượng rất lớn giải phóng khi các hạt nhân nguyên tử nhẹ hợp nhất. Nếu có thể tạo ra một động cơ vừa cung cấp lực đẩy lớn vừa đạt vận tốc khí thải rất cao, tàu vũ trụ có thể tiếp tục tăng tốc sau khi rời Trái Đất, giảm tốc khi tới Sao Hỏa và sau đó tăng tốc trở lại để về Trái Đất.
Điều này khác với nhiều sứ mệnh sử dụng động cơ hóa học hiện nay, vốn thường dành phần lớn hành trình để tàu trôi theo quỹ đạo sau khi được tăng tốc ban đầu.
Trên trang giới thiệu ứng dụng, Helicity Space cho biết một phiên bản lớn của Helicity Drive có thể thực hiện chuyến đi khứ hồi Sao Hỏa trong chưa đầy 4 tháng, mang theo tới 450 tấn hàng hóa. Công ty so sánh với một kịch bản sử dụng tên lửa hóa học kéo dài khoảng 30 tháng, gồm khoảng 9 tháng tới Sao Hỏa, thời gian chờ vị trí quỹ đạo thuận lợi và khoảng 9 tháng trở về.
Tuy nhiên, 4 tháng hiện chỉ là một kết quả lý thuyết do Helicity Space đưa ra, không phải thời gian bay đã được NASA xác nhận.
NASA cho biết một chuyến bay tương đối trực tiếp từ Trái Đất tới Sao Hỏa thường mất khoảng 7-10 tháng. Nhiều nghiên cứu về sứ mệnh có người lái sử dụng khoảng 6-9 tháng cho mỗi chiều.
Do đó, lấy 9 tháng làm mốc so sánh là hợp lý, nhưng không có nghĩa mọi chuyến bay bằng động cơ hóa học đều mất đúng khoảng thời gian này.
Một tàu vũ trụ lớn có người lái không chỉ phải tới được Sao Hỏa mà còn phải giảm tốc, hoạt động tại đó và trở về an toàn. Quỹ đạo tiết kiệm nhiên liệu cũng khiến các sứ mệnh thông thường phải chờ thời điểm thích hợp để quay về.
Nếu Helicity Drive đạt được hiệu suất như kỳ vọng, nó có thể thay đổi toàn bộ cách thiết kế nhiệm vụ: giảm phụ thuộc vào thời điểm phóng, cho phép tàu chủ động giảm tốc và rời Sao Hỏa thay vì phải chờ một cửa sổ quỹ đạo thuận lợi.
Thách thức lớn nhất nằm ngoài phản ứng nhiệt hạch
Một động cơ nhiệt hạch thực tế không chỉ gồm plasma. Hệ thống còn cần nguồn tạo plasma, thiết bị cung cấp năng lượng xung, cuộn dây từ, thiết bị đóng ngắt, vòi phun, hệ thống chứa nhiên liệu, bộ tản nhiệt, lớp chắn bức xạ và kết cấu đủ bền để chịu hàng nghìn hoặc hàng triệu chu kỳ hoạt động.
Tản nhiệt là một vấn đề đặc biệt khó trong không gian. Không có không khí hoặc nước để làm mát, tàu phải thải nhiệt thông qua các bộ tản nhiệt. Công suất càng lớn, diện tích và khối lượng bộ tản nhiệt càng tăng.
Các hạt neutron và hạt năng lượng cao cũng có thể làm hỏng nam châm, thiết bị điện tử và vật liệu kết cấu, tùy thuộc vào loại nhiên liệu nhiệt hạch được sử dụng. Với tàu chở người, vấn đề che chắn bức xạ còn khó khăn hơn nhiều.
Ngoài ra, động cơ phải hoạt động ổn định qua một số lượng rất lớn các xung. Một thiết bị trong phòng thí nghiệm có thể được bảo trì giữa các lần thử nghiệm, nhưng động cơ trên hành trình tới Sao Hỏa phải hoạt động nhiều tháng trong không gian, cách xa mọi cơ sở sửa chữa.
Giá trị chính của chương trình NIAC không nằm ở việc chứng nhận một động cơ mà ở khả năng biến một ý tưởng táo bạo thành một bài toán có thể kiểm chứng.
Các nghiên cứu tiếp theo sẽ cần đưa ra những số liệu cụ thể về nhiệt độ và mật độ plasma, mức độ nén, năng lượng tạo ra, lực đẩy, tần suất xung, tuổi thọ linh kiện và tổng khối lượng hệ thống.
NASA vì vậy mới chỉ đặt một khoản đầu tư ban đầu để xác định liệu Helicity Drive có đáng được nghiên cứu tiếp hay không. Helicity Space đã có nguyên mẫu để thử nghiệm một số thành phần của ý tưởng.
Từ nguyên mẫu plasma hiện nay đến một động cơ đủ nhẹ để bay, một tàu vũ trụ hoàn chỉnh và một chuyến khứ hồi Sao Hỏa dưới 4 tháng vẫn còn một khoảng cách rất lớn. Khoản tài trợ của NASA mở đầu quá trình kiểm chứng ý tưởng, chứ chưa chứng minh rằng chuyến bay như vậy có thể thực hiện.
Hình minh họa tàu vũ trụ sử dụng Helicity Drive trong nghiên cứu NIAC nhằm khám phá nhật quyển. Đây là hình ảnh ý tưởng, không phải phần cứng bay hoặc sứ mệnh Sao Hỏa đã được NASA phê duyệt. Ảnh: NASA
