BlogTheanh (04/2/2021):
Hành trình đưa con người lên Sao Hỏa là một trong những mục tiêu vĩ đại nhất của ngành hàng không vũ trụ, nhưng nó cũng đối mặt với những thách thức khổng lồ, đặc biệt là thời gian di chuyển và mối nguy hiểm từ bức xạ vũ trụ. Một nhà vật lý tại Phòng thí nghiệm Vật lý Plasma Princeton (PPPL) của Bộ Năng lượng Hoa Kỳ có thể đã tìm ra một giải pháp đột phá: một khái niệm động cơ đẩy nhiệt hạch mới, hứa hẹn sẽ đưa các phi hành gia đến Hành tinh Đỏ nhanh hơn bao giờ hết.
Nguồn Cảm Hứng Từ "Mặt Trời Nhân Tạo"
Ý tưởng này nảy sinh với nhà vật lý Fatima Ebrahimi khi bà quan sát hoạt động bên trong các lò phản ứng nhiệt hạch trên Trái Đất. Cụ thể, trong quá trình vận hành tại Thí nghiệm Torus Hình cầu Quốc gia (NSTX) – một lò phản ứng tokamak – bà nhận thấy sự hình thành của các bong bóng từ tính chứa đầy plasma, được gọi là plasmoid.
"Trong quá trình hoạt động, tokamak này tạo ra các plasmoid di chuyển với tốc độ khoảng 20 km/giây, đối với tôi dường như rất giống lực đẩy," bà Ebrahimi chia sẻ.
Từ đó, một ý tưởng táo bạo ra đời: Tại sao không khai thác chính cơ chế này – một quá trình tương tự như cách mặt trời tạo ra các tia lửa sáng khổng lồ – để tạo ra một loại động cơ tên lửa mới? Về cơ bản, động cơ của bà hoạt động như một chiếc bánh tokamak với một bên được "cắt ra" để giải phóng năng lượng và các hạt plasma theo một hướng nhất định.
Để dễ hình dung, hãy tưởng tượng một người ngồi trên chiếc ghế văn phòng có bánh xe và cầm một cây pháo hoa lớn. Khi bạn đốt pháo hoa, luồng năng lượng phụt ra phía sau sẽ đẩy chiếc ghế và người ngồi trên đó về phía trước. Động cơ plasma hoạt động dựa trên cùng một nguyên tắc bảo toàn động lượng.
Động Cơ Hoạt Động Như Thế Nào?
Thiết bị này áp dụng các từ trường cực mạnh để nung nóng khí đến trạng thái plasma (trạng thái thứ tư của vật chất, nơi các nguyên tử bị ion hóa thành các hạt mang điện). Sau đó, thông qua một quá trình gọi là tái kết nối từ (magnetic reconnection), các đường sức từ sẽ đột ngột "đứt gãy" và tái sắp xếp, giải phóng một lượng năng lượng khổng lồ. Năng lượng này sẽ bắn các hạt plasma và plasmoid ra phía sau tên lửa với tốc độ cực cao, tạo ra lực đẩy mạnh mẽ.
Thiết kế của Ebrahimi có ba điểm khác biệt chính so với các khái niệm động cơ plasma khác:
- "Bàn Đạp Ga" Từ Tính: Động cơ sử dụng nam châm điện để điều chỉnh cường độ của từ trường. Điều này cho phép các phi hành gia có thể tăng hoặc giảm lực đẩy một cách linh hoạt, tương tự như nhấn ga trên ô tô.
- Sức Mạnh Kép: Thay vì chỉ sử dụng plasma truyền thống, thiết kế này khai thác cả các plasmoid – những bong bóng từ tính đậm đặc. Các plasmoid này mang theo một lượng lớn năng lượng, giúp gia tăng đáng kể lực đẩy tổng thể.
- Linh Hoạt Về Nhiên Liệu: Động cơ có thể hoạt động với bất kỳ loại khí nào, từ các nguyên tử nhẹ như hydro cho đến các nguyên tử nặng hơn. Điều này mang lại sự linh hoạt to lớn cho các nhà hoạch định nhiệm vụ, cho phép họ lựa chọn loại nhiên liệu tối ưu cho từng giai đoạn của chuyến bay, ví dụ như sử dụng nhiên liệu hiệu suất cao cho các cú đốt ngắn hoặc nhiên liệu bền bỉ hơn cho hành trình dài.
Một Bước Nhảy Vọt Về Tốc Độ và An Toàn
Các mô phỏng trên siêu máy tính tại PPPL cho thấy kết quả vô cùng hứa hẹn. Khái niệm động cơ đẩy plasma mới này có thể tạo ra luồng khí thải với vận tốc lên tới hàng trăm km/giây, nhanh hơn gấp 10 lần so với các loại động cơ đẩy tiên tiến khác hiện nay như động cơ ion.
Một bước nhảy vọt về tốc độ như vậy có ý nghĩa sống còn đối với các chuyến bay có người lái trong không gian sâu:
- Giảm Phơi Nhiễm Bức Xạ: Không gian giữa các hành tinh chứa đầy bức xạ vũ trụ năng lượng cao, có thể xuyên qua hầu hết các lớp che chắn và gây tổn hại nghiêm trọng đến sức khỏe của phi hành gia. Di chuyển càng nhanh, thời gian phơi nhiễm càng giảm, giúp bảo vệ phi hành đoàn tốt hơn.
- Giảm Tác Động Thể Chất và Tâm Lý: Các chuyến bay kéo dài hàng tháng trời gây ra những tổn thất nặng nề về thể chất (mất xương, teo cơ) và tâm lý (căng thẳng, cô lập). Rút ngắn đáng kể thời gian hành trình sẽ giảm thiểu những tác động tiêu cực này.
Mặc dù vẫn còn ở giai đoạn khái niệm và mô phỏng, động cơ plasma nhiệt hạch của Fatima Ebrahimi mở ra một viễn cảnh đầy hứa hẹn. Nó cho thấy cách các nghiên cứu vật lý cơ bản về năng lượng nhiệt hạch có thể mang lại những ứng dụng bất ngờ, có khả năng thay đổi hoàn toàn tương lai của du hành không gian và đưa giấc mơ chinh phục Sao Hỏa của con người đến gần hơn bao giờ hết.
