Trong hơn bốn năm nữa, sứ mệnh Dragonfly của NASA sẽ phóng vào vũ trụ và bắt đầu hành trình dài hướng tới Titan, mặt trăng lớn nhất của Sao Thổ. Là một phần của chương trình New Frontiers, chiếc quadcopter này sẽ khám phá bầu khí quyển, bề mặt và các hồ mê-tan của Titan để tìm những dấu hiệu khả dĩ về sự sống (hay còn gọi là chữ ký sinh học).
Điều này sẽ bắt đầu vào năm 2034, với giai đoạn khoa học kéo dài trong ba năm ba tháng rưỡi. Robot thám hiểm sẽ dựa vào pin hạt nhân—Máy phát nhiệt đồng vị phóng xạ đa nhiệm vụ (MMRTG)—để đảm bảo tuổi thọ của nó.
Nhưng nếu Dragonfly được trang bị hệ thống năng lượng nhiệt hạch thế hệ tiếp theo thì sao ? Trong một bài báo nghiên cứu về nhiệm vụ gần đây, một nhóm các nhà nghiên cứu từ Hệ thống vệ tinh Princeton đã chứng minh cách truyền động nhiệt hạch trực tiếp (DFD) có thể tăng cường đáng kể cho sứ mệnh tới Titan. Công ty hàng không vũ trụ có trụ sở tại New Jersey này đang phát triển các hệ thống nhiệt hạch dựa trên Cấu hình đảo ngược trường Princeton (PFRC).
Nghiên cứu này có thể dẫn đến các lò phản ứng nhiệt hạch nhỏ gọn có thể dẫn đến quá trình vận chuyển nhanh chóng, các sứ mệnh dài hạn hơn và các lò phản ứng hạt nhân thu nhỏ ở đây trên Trái đất.
Nhóm nghiên cứu được dẫn đầu bởi Michael Paluszek, chủ tịch của Hệ thống vệ tinh Princeton (PSS) và là một kỹ sư hàng không và du hành vũ trụ với kinh nghiệm lâu năm trong các hệ thống vũ trụ và ngành công nghiệp vũ trụ thương mại. Ông đã tham gia cùng với nhiều đồng nghiệp từ PSS, Phòng thí nghiệm Vật lý Plasma Princeton (PPPL), Viện Công nghệ Không quân tại Wright-Patterson AFB, và Đại học Princeton và Stanford. Nghiên cứu sứ mệnh của họ, "Máy bay Titan chạy bằng năng lượng tổng hợp hạt nhân," gần đây đã xuất hiện trên tạp chí Acta Astronautica .
Khái niệm về lực đẩy hạt nhân có từ thời kỳ đầu của Thời đại Không gian khi NASA và chương trình không gian của Liên Xô tìm cách phát triển các lò phản ứng để cung cấp năng lượng cho các sứ mệnh trong tương lai ngoài hệ thống Trái đất-mặt trăng. Từ năm 1964 đến năm 1969, những nỗ lực của họ đã dẫn đến Động cơ hạt nhân cho ứng dụng phương tiện tên lửa (NERVA), một lò phản ứng lõi rắn dựa trên sự phân rã chậm của uranium được làm giàu cao (235U) để cung cấp năng lượng cho động cơ đẩy nhiệt hạt nhân (NTP) hoặc hệ thống đẩy điện hạt nhân (NEP).
Cái trước dựa vào một lò phản ứng để đốt nóng chất đẩy deuterium (2H) và oxy lỏng (LOX), sau đó được dẫn qua các vòi để tạo ra lực đẩy. Loại thứ hai liên quan đến một lò phản ứng cung cấp điện cho động cơ ion hoặc bộ đẩy Hall-Effect dựa vào trường điện từ để ion hóa khí trơ (như xenon) được dẫn qua các vòi để tạo lực đẩy. Trái ngược với các động cơ hạt nhân truyền thống này, động cơ nhiệt hạch trực tiếp (DFD) yêu cầu một động cơ tên lửa tổng hợp hạt nhân có thể tạo ra cả lực đẩy và năng lượng điện cho tàu vũ trụ liên hành tinh.
Trong một nghiên cứu trước đây , một nhóm nghiên cứu quốc tế đã đề xuất cách một tàu vũ trụ được trang bị DFD 2 megawatt (MW) có thể vận chuyển trọng tải 1000 kg (2200 lbs) tới Titan trong vòng chưa đầy 2,6 năm (~31 tháng). Con số này gấp đôi khối lượng của sứ mệnh Dragonfly, tức là (nói một cách tương đối) là trọng lượng lông vũ khi so sánh—450 kg (990 lbs). Thời gian vận chuyển là 2,6 năm cũng ít hơn đáng kể so với 7 năm mà tàu vũ trụ của Dragonfly sẽ mất để đến được Titan.
Trong bài báo của mình, Paluszek và các đồng nghiệp của ông đã mở rộng công việc này để đưa một chiếc máy bay làm trọng tải, sẽ khám phá bầu khí quyển và bề mặt của Titan trong nhiều năm. Và không giống như thiết kế quadcopter của Dragonfly, máy bay Titan của họ sẽ là một nhà thám hiểm robot có cánh cố định. Như Paluszek đã nói với Universe Today qua email, chìa khóa của khái niệm tàu vũ trụ này là khái niệm lò phản ứng PFRC do các nhà nghiên cứu tại PPPL phát triển:
"Cấu hình Đảo ngược Trường Princeton là một cấu trúc liên kết từ trong đó các trường do ăng-ten tạo ra sẽ đóng các đường trường trong gương từ. Các ăng-ten tạo ra cái gọi là từ trường quay (RMF). Sự hợp nhất diễn ra trong vùng trường đóng này. Các dòng plasma nhiệt độ thấp hơn bổ sung xung quanh vùng nhiệt hạch để tạo ra dòng khí thải có vận tốc khí thải và lực đẩy tốt nhất cho một nhiệm vụ nhất định."
Theo bài báo của họ, một động cơ đẩy DFD có thể vận chuyển một tàu vũ trụ khá lớn tới Titan trong vòng chưa đầy hai năm. Một lò phản ứng nhiệt hạch thứ hai sẽ cung cấp năng lượng cho tàu vũ trụ Titan như một máy phát điện vòng kín. Cả hai lò phản ứng sẽ dựa trên khái niệm PFRC và dựa vào hệ thống sưởi plasma tần số vô tuyến mới và nhiên liệu deuterium/heli-3 ( 2 H/ 3 He). Điều này sẽ mang lại cho máy bay Titan nhiều sức mạnh hơn đáng kể (theo một số bậc độ lớn) và kéo dài đáng kể thời gian thực hiện nhiệm vụ. Paluszek nói:
"Máy bay Titan lớn hơn nhiều. Nó cung cấp hơn 100 kW cho các thí nghiệm. Dragonfly cung cấp khoảng 70 W. Nhiều năng lượng hơn có nghĩa là truyền dữ liệu nhanh hơn tới Trái đất và một loại thiết bị công suất cao hoàn toàn mới. Nhiệm vụ của tàu quỹ đạo mặt trăng băng giá Jupiter của NASA đã có một lượng điện năng tương tự và nhiều thiết bị mới yêu cầu kW điện đã được lên kế hoạch."
Sử dụng năng lượng hạt nhân để thúc đẩy khám phá không gian là điều mà các cơ quan vũ trụ đã nghiên cứu từ buổi bình minh của Thời đại Không gian. Với Chương trình Artemis và sự trở lại mặt trăng trong thập kỷ này, cũng như các sứ mệnh tới Sao Hỏa và các điểm đến không gian sâu khác trong thập kỷ tiếp theo, NASA và các cơ quan vũ trụ khác một lần nữa xem xét các ứng dụng tiềm năng. Chúng bao gồm tàu vũ trụ hạt nhân hai phương thức được trang bị hệ thống NTP và NEP có thể giảm thời gian di chuyển tới Sao Hỏa xuống còn 100 ngày (hiện tại tàu vũ trụ phải mất từ 6 đến 9 tháng để di chuyển tới đó).
Một hệ thống NTP gần đây đã được chọn để phát triển Giai đoạn I như một phần của chương trình Khái niệm Tiên tiến Sáng tạo (NIAC) năm 2023 của NASA. Chương trình này có thể giảm thời gian vận chuyển xuống chỉ còn 45 ngày. Ngoài ra, NASA đã ký hợp đồng với DARPA để thử nghiệm một nguyên mẫu NTP—Tên lửa Trình diễn cho Hoạt động Mặt Trăng Linh hoạt (DRACO)—vào quỹ đạo vào năm 2027. Ngoài ra còn có những nỗ lực phát triển các hệ thống phân hạch nhỏ, nhẹ thông qua dự án Năng lượng Phân hạch Bề mặt (FSP) của NASA để liên tục cung cấp tới 10 kilowatt (kW) điện năng trong ít nhất mười năm.
Những nỗ lực sau này được xây dựng dựa trên dự án Kilopower của NASA, dẫn đến việc trình diễn Lò phản ứng Kilopower Sử dụng Công nghệ Stirling (KRUSTY). Như Paluszek đã giải thích, một DFD dựa trên thiết kế lò phản ứng PFRC có thể cải thiện đáng kể các đề xuất này. Hơn nữa, công nghệ này cũng có ý nghĩa quan trọng đối với việc khám phá không gian và các ứng dụng trên mặt đất:
"Một con số quan trọng là tỷ lệ công suất trên khối lượng của nhà máy điện. DFD nên vào khoảng 1 kW/kg. NEP vào khoảng 0,02 kW/kg. Công nghệ này có thể được sử dụng cho nguồn điện di động trong trường hợp khẩn cấp hoặc cho quân đội. Nó có thể cấp nguồn từ xa các thị trấn không có lưới điện [và] cho các ứng dụng công nghiệp không có lưới điện. Nó có thể cung cấp năng lượng cho tàu và máy bay không người lái có độ bền rất dài. Nó cũng có thể được sử dụng cho các nhà máy điện mô-đun, giống như gió tua-bin và năng lượng mặt trời. Một ứng dụng khác là công suất cực đại."
Đây không phải là lần đầu tiên Paluszek và các đồng nghiệp của ông tại PPPL và Hệ thống vệ tinh Princeton đề xuất công nghệ DFD để thúc đẩy việc khám phá không gian. Vào năm 2014, trong khuôn khổ Đại hội Du hành Vũ trụ Quốc tế (IAC) lần thứ 65, họ đã đề xuất một tàu vũ trụ DFD cho sứ mệnh quỹ đạo có người lái tới Sao Hỏa. Vào năm 2016, họ đã đề xuất cách một tàu quỹ đạo và tàu đổ bộ được trang bị DFD sẽ tạo điều kiện thuận lợi cho một sứ mệnh tới Sao Diêm Vương, được NIAC chọn để phát triển Giai đoạn I và Giai đoạn II.
Trong thập kỷ tới, động cơ đẩy hạt nhân và các hệ thống năng lượng hạt nhân có thể sẽ trở thành các tính năng nhiệm vụ thường xuyên . Điều này có thể sẽ bao gồm các lò phản ứng nhiệt hạch thu nhỏ cung cấp năng lượng cho các cơ sở hỗ trợ thăm dò và phát triển trên bề mặt mặt trăng. Nó cũng có thể cung cấp cho các hệ thống vận chuyển và năng lượng nhanh chóng trên sao Hỏa và các sứ mệnh sinh học vũ trụ tới Europa, Ganymede, Titan, Enceladus và các thế giới đại dương khác trong hệ mặt trời bên ngoài. Tóm lại, năng lượng phân hạch và nhiệt hạch là một phần quan trọng trong nỗ lực của nhân loại nhằm tiến xa hơn vào không gian và ở lại đó lâu dài.
