Loại pin giúp tàu vũ trụ NASA hoạt động 50 năm không cần sạc

Giữa không gian lạnh giá và xa xôi cách Trái Đất hơn 25 tỷ km, hai tàu Voyager của NASA vẫn âm thầm gửi tín hiệu về, hoạt động bền bỉ suốt gần 50 năm mà không cần... sạc pin.

Bí quyết nằm ở một công nghệ tưởng chừng lạc hậu nhưng lại cực kỳ hiệu quả - pin hạt nhân.

Khi nhắc đến năng lượng cho tàu vũ trụ, nhiều người sẽ nghĩ ngay đến pin mặt trời. Tuy nhiên, ở rìa ngoài của hệ Mặt Trời, nơi ánh sáng mặt trời yếu đến mức không thể thắp sáng nổi một bóng đèn thì pin mặt trời gần như trở nên vô dụng.

Đây là lý do vì sao từ những năm 1970, các kỹ sư NASA đã lựa chọn một giải pháp thay thế mang tính cách mạng: RTG - máy phát nhiệt điện đồng vị phóng xạ, hay còn gọi là "pin hạt nhân".

Công nghệ từ thập niên 1960 vẫn "sống tốt" đến nay

Theo The Conversation, RTG sử dụng một nguyên lý đơn giản nhưng thông minh: chuyển hóa nhiệt sinh ra từ sự phân rã phóng xạ thành điện năng.

Cụ thể, RTG chứa một lượng nhỏ plutonium-238 ở dạng gốm rắn. Khi phân rã, chất phóng xạ này phát ra hạt alpha - một loại hạt mang năng lượng - làm nóng các vật liệu xung quanh.

Nhiệt độ cao này sau đó được chuyển hóa thành dòng điện thông qua hiệu ứng Seebeck, hiện tượng được nhà khoa học Thomas Seebeck phát hiện từ năm 1821.

Theo đó, khi hai vật liệu dẫn điện khác nhau được nối thành mạch kín và có sự chênh lệch nhiệt độ giữa hai đầu, dòng điện sẽ tự sinh ra.

Một mặt của RTG được giữ nóng ở khoảng 538⁰C, mặt còn lại tiếp xúc với không gian lạnh giá, từ đó tạo ra dòng điện đủ để nuôi sống cả con tàu.

Công suất nhỏ, sức mạnh lớn

Mỗi RTG chỉ tạo ra vài trăm watt - tương đương một chiếc máy tính xách tay. Nghe có vẻ khiêm tốn, nhưng ở nơi không có điện lưới, không có ánh sáng, không có nguồn sạc, thì đây lại là "mạch sống".

RTG không có bộ phận chuyển động, do đó gần như không hỏng hóc, không cần bảo trì. Thêm vào đó, plutonium-238 có chu kỳ bán rã lên đến 90 năm, nghĩa là sau gần một thế kỷ, năng lượng vẫn còn đủ để vận hành các thiết bị cơ bản.

Với tuổi thọ như vậy, RTG đã trở thành "trái tim năng lượng" cho hàng loạt sứ mệnh không gian mang tính lịch sử của NASA: từ tàu thám hiểm Curiosity, Perseverance trên sao Hỏa, đến tàu New Horizons bay ngang sao Diêm Vương năm 2015.

Voyager: Biểu tượng của hành trình vĩnh cửu

Không có ví dụ nào thuyết phục hơn hai tàu Voyager - những sứ giả của nhân loại trong không gian.

Voyager 1 và Voyager 2 được phóng vào năm 1977, mỗi tàu trang bị 3 RTG, tổng cộng sản sinh khoảng 470 watt điện lúc mới rời Trái Đất.

Gần 50 năm sau, dù công suất đã giảm do phân rã tự nhiên, cả hai tàu vẫn hoạt động, truyền dữ liệu về Trái Đất từ khoảng cách 25 tỷ km với Voyager 1 và 21 tỷ km với Voyager 2.

Chúng hiện là những vật thể nhân tạo xa Trái Đất nhất mà con người từng tạo ra.

Mỗi tín hiệu chập chờn gửi về từ Voyager - dù chỉ là vài bit dữ liệu - đều là kỳ tích của công nghệ, của lòng kiên trì và tầm nhìn vượt thời gian.

Vì sao không dùng pin mặt trời?

Với các sứ mệnh gần Trái Đất như vệ tinh, trạm vũ trụ hay tàu vũ trụ quỹ đạo Mặt Trăng, pin mặt trời là lựa chọn hợp lý. Nhưng càng đi xa, ánh sáng càng yếu, khiến pin mặt trời mất tác dụng.

Ví dụ, ở sao Diêm Vương, ánh sáng chỉ bằng 1/1.600 so với Trái Đất, chưa đủ để duy trì hệ thống thiết bị.

Ngoài ra, môi trường ngoài không gian vô cùng khắc nghiệt: bức xạ cao, nhiệt độ thay đổi cực đoan, bụi vũ trụ... nên thiết bị cần nguồn điện ổn định, bền bỉ và chống chịu được mọi điều kiện - điều mà RTG làm rất tốt.

Dù được phát triển từ những năm 1960, công nghệ RTG vẫn đang được NASA cải tiến. Một thế hệ mới - gọi là MMRTG (Multi-Mission RTG) - hiện đang cấp nguồn cho tàu Perseverance trên sao Hỏa.

Theo NASA, trong tương lai, RTG có thể là giải pháp then chốt cho các sứ mệnh đưa con người tới Mặt Trăng, sao Hỏa, thậm chí là thám hiểm các mặt trăng băng giá.

Bên cạnh việc duy trì hoạt động cho thiết bị, các nhà khoa học còn đang nghiên cứu RTG để sưởi ấm cho phi hành gia trong môi trường cực lạnh của không gian.

Có thể trong đời sống hằng ngày, chúng ta hiếm khi nghe nhắc đến plutonium-238 hay hiệu ứng Seebeck. Nhưng ở nơi cách Trái Đất hàng tỷ km, đó lại là điều đang giữ cho những cỗ máy của loài người không ngừng sống và kể chuyện.