Đất trên mặt trăng có thể cấp năng lượng cho tương lai

Mặt trăng một lần nữa lại trở thành điểm đến được ưa chuộng khi một số quốc gia bàn luận về việc thiết lập các trạm trên đó. Lý do chính là khai thác nhiên liệu cung cấp cho các lò phản ứng nhiệt hạch (fusion reactor) trong tương lai.

Nguồn nhiên liệu chính là heli-3 – đồng vị nhẹ của nguyên tố heli được sử dụng trong khinh khí cầu. Ở phản ứng nhiệt độ cao, heli-3 sẽ hòa lẫn với hạt nhân khác để giải phóng nhiều năng lượng hơn mà lại ít phế phẩm hơn so với các phản ứng trong lò phản ứng hạt nhân thông thường.

Gerald Kulcinski – giám đốc Viện công nghệ nhiệt hạch tại Đại học Wisconsin (Madison) – cho biết: “Nếu chúng ta có thể chứng minh heli-3 cháy được thì đây sẽ là nguồn cung cấp năng lượng an toàn hơn và sạch hơn so với các nguồn năng lượng hạt nhân khác”.

Chỉ 40 tấn heli-3 là đã có đủ năng lượng cần thiết để đáp ứng toàn bộ nhu cầu điện năng của Hoa Kỳ trong vòng 1 năm. Tuy nhiên hầu như không hề có heli-3 trên Trái Đất. Nguồn cung cấp ở gần chúng ta nhất chính là mặt trăng.

Một số cơ quan vũ trụ, đặc biệt là các cơ quan tại Trung Quốc, Nga và Ấn Độ, mới đây đã đề cập đến heli-3 với vai trò là sự thưởng phạt đối với các dự án trên mặt trăng của họ.

Kulcinski cho biết: “Tôi không nghĩ rằng động cơ chính để quay trở lại mặt trăng là heli-3. Nhưng trong thời gian dài, chúng ta sẽ phải đối mặt với vấn đề về năng lượng”.

Giải pháp nhiệt hạch

Tất cả năng lượng hạt nhân hiện tại đều dựa trên quá trình phân rã hạt nhân, trong đó một hạt nhân lớn (như urani chẳng hạn) phân rã thành nhiều hạt nhân nhỏ hơn.

Một phản ứng khác là nhiệt hạch, trong đó 2 hạt nhân nhỏ hơn kết hợp với nhau để tạo thành hạt nhân lớn hơn đồng thời giải phóng nguồn năng lượng dồi dào.

Lò phản ứng nhiệt hạch thương mại chưa hề được xây dựng nhưng lò phản ứng tiên phong đầu tiên có tên Lò phản ứng nhiệt hạch thí nghiệm quốc tế (International Thermonuclear Experimental Reactor – ITER) vừa mới được khởi công tại Cadarache, Pháp. Dự kiến lò phản ứng này sẽ tạo ra plasma 100 triệu độ cần thiết vào năm 2016, nhưng nhà máy điện năng có thể cung cấp điện có lẽ sẽ không thể xuất hiện trực tuyến dù cộng thêm vào đó 20 năm.

Phản ứng xảy ra trong lò ITER là sự kết hợp hai đồng vị hyđrô: đơteri và triti. Người ta lo ngại rằng triti có tính phóng xạ đồng thời lại là một thành phần của vũ khí hạt nhân nên cần phải hết sức cẩn trọng khi sử dụng nó.

Thêm một vấn đề nữa là các nơtron nhiều có tính linh động cao được sản sinh ra từ phản ứng đơteri – triti. Các nơtron này sẽ đập vào thành lò phản ứng và gây ra thiệt hai về cấu trúc của lò. Theo Kulcinski, người ta hy vọng có thể thay thế thành lò ITER thường xuyên, cứ 1 đến 2 năm một lần.

Đó là lý do tại sao Kulcinski và những người khác ủng hộ kinh doanh triti với heli-3 không phóng xạ. Rich Nebel thuộc công ty Emc2 Fusion đặt tại Santa Fe (N.M) cho biết: “Lợi ích của nó là sản sinh rất ít nơtron. Nó làm giảm tính phóng xạ đồng thời làm đơn giản hóa vấn đề kỹ thuật”.

Bên cạnh đó các sản phẩm của phản ứng nhiệt hạch heli-3 đều mang điện, nên năng lượng của chúng có thể được chuyển trực tiếp thành điện mà không cần phải trải qua bước đun sôi nước để tạo hơi không cần thiết.

Nguồn cung cấp Heli

Mặc dù có các lợi ích hấp dẫn như thế, heli-3 thường bị các nhà nghiên cứu nhiệt hạch sao lãng bởi Trái Đất có rất ít heli-3. Theo Kulcinski, một lượng nhỏ heli-3 được thu thập dưới dang các sản phẩm phụ không mong muốn trong các vũ khí hạt nhân được bán với giá khoảng 1.000 đôla cho một gam.

Nguồn cung cấp heli-3 ổn định có thể có trong gió mặt trời, nhưng từ trường của trái đất lại đẩy chúng đi xa. Nhưng điều này không giống với mặt trăng. Mặt trăng thu nhận khoảng 1 triệu đến 5 triệu tấn heli-3 từ gió mặt trời trong suốt lịch sử 4,5 tỉ năm. 

Cỗ máy được thiết kế để tách chiết heli-3 từ đất trên mặt trăng. Con robot sẽ thu ánh sáng mặt trời phản xạ từ đĩa thu ánh sáng rồi nung nóng đất. (Ảnh: Đại học Wisconsin)

Bằng chứng được phát hiện trên đá mặt trăng do các nhà du hành vũ trụ Apollo và Nga mang về) với tỉ lệ 10 đến 20 phần trên một tỉ.

Paul Spudis thuộc Viện nghiên cứu hành tinh và mặt trăng (viện nghiên cứu được NASA tài trợ) nói rằng: “Heli-3 có trên mặt trăng nhưng với mật độ rất nhỏ; điều này có nghĩa là cần phải xử lý hàng trăm triệu tấn đất đá để có được 1 tấn heli-3”.

Theo Spudis, công việc này đòi hỏi phải làm nóng các phần tử bụi mặt trăng lên tới nhiệt độ khoảng 1.300 độ F (700 độ C).

Kulcinski cùng các cộng sự đã thiết kế ra một cỗ máy có thể di chuyển trên bề mặt của mặt trăng, lấy đất trên đó rồi làm nóng nhờ ánh sáng mặt trời được tập trung.

Cỗ máy khai thác này sẽ sản xuất được lượng năng lượng lớn gấp 300 lần năng lượng mà nó sử dụng (bao gồm cả năng lượng bay tới mặt trăng rồi quay trở lại), Kulcinski ước lượng. Trong khi đó khai thác than đá mang lại năng lượng gấp 15 đến 20 lần năng lượng đầu vào. Nhóm của Kulcinski ước tính rằng sẽ tốn khoảng 800 triệu đôla để mang mỗi tấn heli-3 về Trái Đất.

Nghe có vẻ tốn kém, nhưng nếu có thể bán năng lượng nhiệt hạch với giá tương đương giá xăng dầu với mức 100 đô mỗi thùng thì heli-3 sẽ có giá 10 tỉ đôla mỗi tấn.

Kulcinski nói: “Thử thách thực sự của chúng tôi không phải là việc lấy được heli-3, mà là việc chứng minh chúng ta có thể đốt cháy nó”.

Heli-3 khó cháy

Việc đốt cháy heli-3 đòi hỏi phải có năng lượng đầu vào cao hơn năng lượng để đốt chát đồng vị hyđrô. Đó là lý do tại sao ITER không coi heli-3 là nguồn năng lượng tiềm năng vào thời điểm này.

Tuy nhiên nhóm của Kulcinski đang ứng dụng nhiều phương pháp khác nhau, được gọi là inertial electrostatic confinement (IEC) (tạm dịch là vây hãm điện tĩnh quán tính), để có được phản ứng nhiệt hạch. Thay vì sử dụng từ trường để giữ plasma nóng như ITER dự định tiến hành, IEC lại thực hiện công việc bằng cách đẩy các hat nhận lại với nhau nhờ điện trường.

Kulcinski cùng các cộng sự đã xoay xở để duy trì nhiệt hạch hạt nhân trong hệ thống mẫu nhỏ mà họ tạo ra. Công ty Emc2 Fusion cũng đang nghiên cứu thiết kế tương tự.

Tuy nhiên tất cả các nghiên cứu về IEC, ít nhất là trong thời điểm hiện nay, đòi hỏi phải có nguồn năng lượng đầu vào lớn hơn nhiều so với năng lượng mà nó tạo ra. Hầu hết các nhà nghiên cứu đều đồng tình rằng heli-3 không thể là nhiên liệu đầu tiên được sử dụng trong các lò phản ứng nhiệt hạch.

Spudis cho biết: “Chúng ta không nên nói ‘không bao giờ’, có thể heli-3 sẽ trở thành nguồn cung cấp năng lượng quan trọng trong thế kỷ tới. Thời điểm đó vẫn chưa đến. Còn tôi vẫn cho rằng sẽ chỉ còn là vấn đề thời gian”.