Americium: Nguyên tố có thể thay đổi cách loài người chinh phục không gian

Đến hôm nay, khi đã đứng trên rìa không gian liên sao, chúng vẫn gửi về những tín hiệu yếu ớt nhưng đầy giá trị, bất chấp pin mặt trời đã tắt lịm từ lâu và mọi hệ thống phụ đã lần lượt được ngừng hoạt động.

Sự sống còn đặc biệt ấy không đến từ phép màu hay công nghệ viễn tưởng, mà đến từ một vật thể nhỏ chỉ bằng thùng rác: bộ phát nhiệt điện đồng vị phóng xạ RTG, sử dụng năng lượng từ quá trình phân rã plutonium-238.

Với cơ chế đơn giản, không có bộ phận chuyển động, không hỏng hóc theo thời gian, nhưng đủ để duy trì điện năng suốt hàng chục năm, đây là sức mạnh đã đưa Voyager đi vào lịch sử và tạo nên tiêu chuẩn vàng cho năng lượng không gian suốt nhiều thập kỷ.

Thế nhưng plutonium-238 không phải là tài nguyên vô hạn. NASA hiện phụ thuộc gần như hoàn toàn vào nguồn sản xuất ít ỏi này, trong khi nhu cầu dành cho các sứ mệnh không gian sâu ngày càng gia tăng.

Điều này mở ra nhu cầu cấp thiết về một loại nhiên liệu mới có thể thay thế, hoặc ít nhất là bổ khuyết cho plutonium.

Lời giải cho bài toán năng lượng dài hạn của các sứ mệnh liên sao

Và cái tên đang được nhắc đến nhiều nhất thời gian gần đây là americium, một nguyên tố tổng hợp vốn xuất hiện âm thầm trong chính những chiếc máy báo khói mà nhiều gia đình sử dụng mỗi ngày.

Americium được tạo ra lần đầu vào năm 1944 trong Dự án Manhattan, americium-241 là đồng vị có chu kỳ bán rã lên tới 432 năm. Con số này dài gấp năm lần plutonium-238, khiến nó trở thành ứng viên lý tưởng cho những sứ mệnh kéo dài không phải vài thập kỷ, mà là vài thế kỷ hoặc hơn.

Đặc biệt, americium-241 không cần phải sản xuất mới từ đầu. Nó hình thành tự nhiên trong chất thải hạt nhân khi plutonium-241 phân rã. Điều này đồng nghĩa với việc trong hàng tấn chất thải hạt nhân tồn đọng tại Anh và nhiều quốc gia khác, một nguồn năng lượng dài hạn cho ngành không gian đang nằm chờ được khai thác.

Châu Âu mở đường tự chủ năng lượng không gian với RTG americium

Nhìn rộng ra, americium mang đến nhiều lợi thế chiến lược. Châu Âu từ lâu phụ thuộc vào plutonium của Mỹ và Nga, khiến các kế hoạch thám hiểm không gian sâu bị giới hạn đáng kể.

Với americium, lục địa này có thể hoàn toàn tự chủ năng lượng, xây dựng một chuỗi cung ứng độc lập và giảm thiểu rủi ro địa chính trị. Trong thập kỷ qua, Đại học Leicester cùng Cơ quan Vũ trụ Châu Âu ESA và Cơ quan Vũ trụ Vương quốc Anh đã liên tục thử nghiệm RTG americium (RTG: máy phát nhiệt điện đồng vị phóng xạ) hướng đến mục tiêu lần đầu tiên đưa nguyên tố này ra không gian trong những năm tới.

Tất nhiên, americium không phải hoàn hảo, lượng nhiệt sinh ra từ americium-241 chỉ bằng khoảng một phần năm plutonium-238, đồng nghĩa các RTG phải lớn hơn và nặng hơn để tạo ra cùng mức năng lượng.

Đây là thách thức lớn trong thiết kế hàng không vũ trụ, nơi từng kilogram đều quyết định chi phí và khả năng vận hành.

Tuy nhiên, americium lại thể hiện ưu điểm vượt trội khi dùng cho các sứ mệnh công suất thấp, tuổi thọ siêu dài như tàu thăm dò liên sao, trạm quan sát địa chất ở vệ tinh băng giá, hay những thiết bị dự kiến trôi dạt trong không gian hàng trăm năm mà không cần sự can thiệp của con người.

Một hướng đi hứa hẹn khác là việc kết hợp americium với công nghệ động cơ Stirling, vốn có khả năng chuyển đổi nhiệt thành điện với hiệu suất lên đến 25 phần trăm, cao hơn nhiều so với 5 phần trăm của hệ thống nhiệt điện truyền thống.

Nếu thành công, các RTG Stirling sử dụng americium có thể tạo ra năng lượng đủ lớn mà không cần tăng đáng kể khối lượng nhiên liệu. Mặc dù động cơ Stirling có bộ phận chuyển động và khiến nhiều chuyên gia lo ngại về độ bền, việc thiết kế hệ thống hoạt động theo mô hình đa bộ chuyển đổi để dự phòng đang mở ra triển vọng giải quyết vấn đề này.

Hiện các thử nghiệm vẫn đang diễn ra và kết quả ban đầu được đánh giá là khả quan.

Chìa khóa cho những sứ mệnh kéo dài hàng thế kỷ

Khi đặt americium cạnh plutonium, hai loại nhiên liệu này giống như hai triết lý khác nhau. Plutonium mạnh mẽ, nhỏ gọn, cho năng lượng cao, phù hợp với các sứ mệnh cần công suất lớn. Trong khi đó americium bền bỉ, tuổi thọ vượt trội, phù hợp với những sứ mệnh mà thời gian là yếu tố quan trọng nhất.

Không khó để hình dung một tương lai nơi cả hai đồng vị tồn tại song song, phục vụ những mục đích khác nhau nhưng cùng dẫn dắt nhân loại đến những chân trời xa hơn.

Ngay lúc này, NASA đã đề xuất một sứ mệnh táo bạo mang tên Interstellar Probe với mục tiêu đi xa đến 150 tỷ kilomet so với Trái Đất, vượt ra ngoài mọi ranh giới mà con người từng vươn tới.

Để tàu thăm dò có thể sống sót hàng thế kỷ và tiếp tục truyền dữ liệu về nhà, americium gần như là lựa chọn khả thi nhất đáp ứng yêu cầu về tuổi thọ. Trong một bối cảnh rộng hơn, americium không chỉ phục vụ khám phá vũ trụ mà còn có thể hỗ trợ thám hiểm biển sâu, nghiên cứu khí hậu tại các vùng cực hoặc cung cấp điện ổn định cho các khu vực hẻo lánh.

Dù còn nhiều thách thức trong việc tối ưu hóa công suất và thiết kế, tuy nhiên có thể thấy được rằng americium đang dần trở thành biểu tượng của một kỷ nguyên mới. Kỷ nguyên này không được định nghĩa bằng sức mạnh bùng nổ như plutonium từng thể hiện, mà bằng sự bền bỉ, ổn định và khả năng hoạt động vượt thời gian.

Trong vũ trụ lạnh lẽo và mênh mông, nơi mọi công nghệ đều có giới hạn, chính yếu tố bền bỉ mới thật sự quyết định khả năng tồn tại của tàu vũ trụ.

Tương lai của ngành thám hiểm vũ trụ, có lẽ, sẽ không được xác định bởi tên lửa lớn đến đâu, mà bởi loại hạt nhân nào đang âm thầm tỏa nhiệt trong lòng những con tàu băng qua khoảng không giữa các vì sao.

Americium, với sức mạnh nhẹ nhàng nhưng trường tồn, đang sẵn sàng đảm nhận vai trò ấy.