Trung Quốc sử dụng năng lượng hạt nhân để thực hiện sứ mệnh tới sao Hải Vương

Trung Quốc cũng đang dự tính một tàu Neptune Explorer chạy bằng năng lượng hạt nhân để khám phá hành tinh băng khổng lồ và mặt trăng lớn nhất của nó (Triton), cũng như các vệ tinh và vành đai của hành tinh này.

Trong thập kỷ tới đây (2023-2032) NASA sẽ thực hiện một số sứ mệnh không gian trong Hệ Mặt trời của chúng ta, bao gồm việc tiến tới quỹ đạo và thăm dò Thiên Vương tinh, trong đó họ sẽ nghiên cứu cấu trúc bên trong của hành tinh, bầu khí quyển, từ quyển và vành đai của hành tinh này. Thực hiện song song với đó là gửi tàu thăm dò tới quỹ đạo của Enceladus – vệ tinh lớn thứ sáu của sao Thổ – và tàu đổ bộ bề mặt để nghiên cứu các luồng khí hoạt động phát ra từ vùng cực nam trên Enceladus.

Enceladus là vệ tinh lớn thứ sáu của sao Thổ. Nó được nhà thiên văn học William Herschel phát hiện vào năm 1789. Trước năm 1980, người ta biết rất ít về Enceladus ngoài việc trên bề mặt vệ tinh này có nước. Enceladus có đường kính khoảng 500km, bằng 1/10 kích thước của Titan, vệ tinh lớn nhất của sao Thổ.

Không chịu thua kém, Trung Quốc cũng đang dự tính chế tạo một tàu Neptune Explorer chạy bằng năng lượng hạt nhân với mục đích khám phá hành tinh băng khổng lồ trong Hệ Mặt trời của chúng ta (Hải Vương tinh) và mặt trăng lớn nhất của nó (Triton), cùng các vệ tinh và vành đai của hành tinh này.

Trên thực tế, sứ mệnh này là chủ đề của một nghiên cứu được thực hiện bởi các nhà nghiên cứu từ Cơ quan Vũ trụ Quốc gia Trung Quốc (CNSA), Học viện Khoa học Trung Quốc (CAS), Cơ quan Năng lượng Nguyên tử Trung Quốc, Học viện Công nghệ Không gian Trung Quốc, cùng nhiều trường đại học và các viện nghiên cứu khác. Bài báo mô tả những phát hiện của họ (được xuất bản trên tạp chí Scientia Sinica Technologica) do Guobin Yu, một nhà nghiên cứu của Trường Du hành vũ trụ tại Đại học Beihang và Khoa Khoa học Công nghệ và Chất lượng thuộc CNSA, đứng đầu.

Trên thực tế, những hành tinh băng khổng lồ như sao Hải Vương là một kho tàng khám phá khoa học tiềm năng, như các tác giả mô tả trong bài báo của họ. Ngoài cấu trúc bên trong hấp dẫn của nó (bao gồm cả mưa kim cương), sao Hải Vương được cho là đã đóng một vai trò quan trọng trong sự hình thành của Hệ Mặt trời. Nói tóm lại, thành phần của nó bao gồm một lượng lớn khí là một phần của tinh vân tiền sao mà từ đó Hệ Mặt trời của chúng ta hình thành. Đồng thời, vị trí của nó cũng có thể cung cấp thông tin về nơi các hành tinh hình thành (và cả quá trình chúng di chuyển để đến quỹ đạo hiện tại).

Ngoài ra còn có những bí ẩn đang tiếp diễn về mặt trăng lớn nhất của Hải Vương tinh – Triton – các nhà thiên văn học nghi ngờ rằng đây là một đã văng ra từ một Hệ Mặt trời bên ngoài và sau đó được giữ lại bởi lực hấp dẫn của Hải Vương tinh.

Sự xuất hiện của mặt trăng này cũng được cho là đã gây ra những tác động nhất định với các vệ tinh tự nhiên của sao Hải Vương, khiến chúng bị vỡ ra và liên kết lại với nhau để tạo thành mặt trăng mới. Người ta cũng đưa ra giả thuyết rằng Triton cuối cùng sẽ vỡ ra và tạo thành một vành đai xung quanh sao Hải Vương hoặc va chạm với nó. Về cơ bản, nghiên cứu về sao Hải Vương, các vệ tinh và động lực học quỹ đạo của nó có thể cung cấp câu trả lời về cách Hệ Mặt trời của chúng ta hình thành, phát triển và sự sống bắt đầu như thế nào.

Tuy nhiên, thật không may, do những khó khăn trong việc gửi các sứ mệnh vào không gian sâu (bao gồm cửa sổ phóng, cung cấp điện và thông tin liên lạc), cho tới nay vẫn chỉ có một sứ mệnh đã đến thăm sao Hải Vương – tàu thăm dò Voyager 2, nó đã bay ngang qua Hải Vương tinh vào năm 1989 và đây cũng là con tàu cung cấp cho chúng ta hầu hết kiến thức người khổng lồ băng này và hệ thống của nó ở thời điểm hiện tại.

Hơn nữa, bản chất của các công cụ khoa học của Voyager 2 đã đặt ra những hạn chế nhất định về lượng dữ liệu mà nó có thể thu được. Trong những năm gần đây, NASA đã đề xuất gửi một sứ mệnh khám phá Neptune và Triton. Tuy nhiên nhiệm vụ này không được ưu tiên trong thập kỷ tới đây và đã được chuyển giao cho Tàu quỹ đạo và Tàu thăm dò Sao Thiên Vương (UOP).

Nhưng với những cải tiến tiềm năng và to lớn đã được thực hiện trong các thiết bị tàu vũ trụ kể từ khi Hải Vương tinh được viếng thăm lần trước, các nhà khoa học tại Trung Quốc nhận thấy rằng đã đến lúc thực hiện một nhiệm vụ khác đối với Hải Vương tinh.

Và khi kết hợp với dự án khám phá sao Thiên Vương của NASA, dữ liệu thu được từ những sứ mệnh này sẽ khiến các nhà thiên văn học và các nhà khoa học hành tinh bận rộn trong nhiều thập kỷ và có thể tiết lộ một số điều thực sự đột phá về Hệ Mặt trời bên ngoài – ít nhất là lịch sử của nó.

Năm 2021 của Kính viễn vọng Không gian Hubble nhìn vào sao Hải Vương, phát hiện ra rằng một cơn bão “điểm tối” mới được phát hiện vào năm 2018 đã đảo ngược hướng và đang di chuyển về phía bắc.

Thiết kế

Tất nhiên, những thách thức được đề cập ở trên vẫn còn. Nhìn vào vấn đề cung cấp điện, Guobin Yu và các đồng nghiệp của ông cần một nguồn có thể cung cấp điện một cách an toàn và đáng tin cậy trong vòng 15 năm. Họ xác định rằng máy phát nhiệt điện đồng vị phóng xạ (RTG) có công suất năng lượng 10 kilowatt (kWe) là đủ. Loại pin hạt nhân này tương tự như loại pin mà các tàu thám hiểm Curiosity và Perseverance sử dụng – chuyển đổi nhiệt năng từ sự phân hủy của chất phóng xạ thành điện năng. Như họ nói trong báo cáo:

“Xem xét sự trưởng thành về mặt kỹ thuật của nguồn cung cấp điện cho lò phản ứng vũ trụ ở các mức công suất khác nhau, yêu cầu về năng lượng của máy dò và động cơ điện, khả năng phóng của phương tiện phóng và kinh phí, công suất đầu ra của nguồn cung cấp điện cho lò phản ứng vũ trụ cho chuyến thám hiểm sao Hải Vương sứ mệnh được xác định là 10 kWe”.

Họ khuyến nghị thêm rằng hệ thống cung cấp điện dựa trên sơ đồ sử dụng một ống dẫn nhiệt, một bộ chuyển đổi nhiệt điện và một bộ tản nhiệt như một đơn vị phát điện. Và trên tàu họ sẽ thiết kế nhiều đơn vị phát điện như vậy, sau đó sẽ kết nối song song để cung cấp năng lượng cho tàu vũ trụ.

Họ viết rằng hệ thống này sẽ có thể cung cấp cho sứ mệnh “8 năm vận hành công suất tối đa 10 kWe và 7 năm vận hành công suất thấp 2 kWe, có thể đảm bảo hiệu quả độ tin cậy và an toàn của hệ thống trong toàn bộ sứ mệnh”.

Sơ đồ nguyên lý lò phản ứng nhanh ống nhiệt công suất 10 kW và cấp điện của lò phản ứng không gian phát nhiệt điện.

Nhóm cũng xác định một số quy trình chính cần thiết cho hoạt động an toàn và đáng tin cậy của hệ thống này. Trong số đó, máy phát điện phải đảm bảo tạo ra nhiệt liên tục và có thể kiểm soát từ quá trình phân hạch hạt nhân, truyền nhiệt trong lò phản ứng, chuyển đổi nhiệt điện hiệu quả và loại bỏ nhiệt thải. Để đạt được điều này, thiết kế cho lò phản ứng của họ yêu cầu các thanh Uranium-235, hợp kim uranium-molypden nguyên khối và các phần tử gốm hình que cho phép truyền tải hiệu quả cao với lõi nhỏ gọn, nhẹ.

Tàu vũ trụ cũng sẽ mang theo một số thiết bị để nghiên cứu hành tinh, hệ thống của nó và các vật thể trên đường đi. Điều này bao gồm một tàu thăm dò khí quyển sao Hải Vương (NAP) để nghiên cứu bên trong hành tinh và một tàu thăm dò thâm nhập Triton (TPP) sẽ kiểm tra lớp vỏ của mặt trăng. Một số vệ tinh nhỏ hơn (CubeSats hoặc nano) cũng sẽ được triển khai trên đường khám phá tiểu hành tinh Vành đai Chính và tiểu hành tinh Centaur.

Hồ sơ sứ mệnh

Để bắt đầu, nhóm nghiên cứu đã khám phá một số phương pháp khả thi để khám phá sao Hải Vương (viễn thám, flybys, quan sát quỹ đạo, hạ cánh mềm, v.v.). Viễn thám và flybys bị loại trừ ngay lập tức vì những thứ này sẽ không cho phép sứ mệnh đo lường thành phần sâu và cấu trúc bên trong của sao Hải Vương một cách hiệu quả. Họ nói: “Các yêu cầu rất cao, và quy mô nhiệm vụ, độ khó kỹ thuật và kinh phí là cực kỳ lớn. Dựa trên các mục tiêu khoa học, trình độ kỹ thuật và quy mô kinh phí, phương pháp phát hiện được xác định là phát hiện quỹ đạo cực”.

Một cân nhắc khác là với khoảng cách liên quan (trung bình là 30 AUs từ Mặt trời) và khả năng thực hiện của một sứ mệnh tới không gian sâu, tốc độ bay của tàu thăm dò nên được tăng lên nhiều nhất có thể trong giai đoạn đầu. Họ kết luận thêm rằng cách tốt nhất để làm điều này (và giảm tốc độ để đạt được quỹ đạo quay quanh sao Hải Vương) là tiến hành một vụ phóng vào khoảng năm 2030, vì lúc này nó sẽ được hỗ trợ trọng lực bởi sao Mộc và ngày đến đích sẽ là năm 2036. Các cơ hội phóng khác bao gồm năm 2028, 2031 và 2034.

Sau khi hoàn thành tiến vào quỹ đạo, tàu vũ trụ sẽ phóng ra một loạt vệ tinh nhỏ và hai tàu thăm dò để khám phá bầu khí quyển của sao Hải Vương và bề mặt của Triton.

Cơ quan vũ trụ của Trung Quốc đã thực hiện một số động thái khá ấn tượng trong những năm gần đây, minh chứng cho việc quốc gia này đã trở thành một cường quốc không gian như thế nào. Chúng bao gồm việc phát triển các tên lửa phóng hạng nặng như Long 9/3, triển khai các trạm vũ trụ (chương trình Tiangong), và thành công của họ với các chương trình Chang’e và Tianwen đã đưa các nhà thám hiểm robot lên Mặt trăng và sao Hỏa.