Mỹ chế tạo nguyên liệu tàu vũ trụ dùng 88 năm không hết

Với chu kỳ bán rã lâu dài, Pu238 có thể cung cấp nguồn năng lượng dồi dào cho các tàu vũ trụ trong khoảng thời gian liên tục gần 9 thập kỷ.

Theo Live Science, Pu238 là một nguyên tố phóng xạ. Trong quá trình phân rã thành hạt nhân Uranium-234, nó phát ra nhiệt, có thể sử dụng như một nguồn năng lượng. Một số tàu thám hiểm không gian, gồm cả của tàu Voyager vào những năm 1970, đã sử dụng nguồn năng lượng lấy từ oxit của các đồng vị Plutonium (đồng vị là những nguyên tử của cùng một nguyên tố nhưng khác về số lượng neutron trong hạt nhân).

Plutonium-238 là một nguồn năng lượng lý tưởng cho các sứ mệnh không gian vì nhiều lý do, một trong số đó là chu kỳ bán rã 88 năm. Chu kỳ bán rã là thời gian cần cho một nửa số lượng các nguyên tử của một nguyên tố phân rã thành hạt nhân khác. Điều này có nghĩa là nhiệt lượng do nó cung cấp sẽ không giảm trong vòng 88 năm.

Ngoài ra, Pu238 "ổn định ở nhiệt độ cao, có thể sinh ra nhiều nhiệt lượng chỉ với một lượng nhỏ, bức xạ phát ra cũng ở mức độ thấp và dễ che chắn, không gây ảnh hưởng tới các dụng cụ và thiết bị quan trọng của tàu vũ trụ", Bob Wham, người đứng đầu dự án tại khu nghiên cứu đồng vị và an ninh hạt nhân, Phòng thí nghiệm Quốc gia Ridge Oak về Năng lượng (ORNL), cho biết.

Quá trình chế tạo ra Pu238 trong phòng thí nghiệm. (Ảnh: Oak Ridge National Laboratory).

Theo Hiệp hội hạt nhân thế giới, Pu239 với chu kỳ bán rã 24 năm mới là đồng vị phổ biến nhất sinh ra từ Uranium trong lò phản ứng hạt nhân, do đó việc thu được Pu238 từ các lò phản ứng này khá khó khăn.

Trong thời kỳ Chiến tranh Lạnh, Mỹ đã tạo ra Pu238 từ các lò phản ứng hạt nhân tại Savannah River ở Nam Carolina. "Những lò phản ứng này đã ngừng hoạt động vào năm 1988, và từ đó đến nay Mỹ chưa thể tái tạo nguyên tố này", Wham cho biết.

Sau khi Mỹ ngừng sản xuất Pu238, Nga là nước duy nhất cung cấp nguyên liệu này cho các dự án thám hiểm vũ trụ. Tuy nhiên, việc sản xuất Pu238 của Nga cũng đã ngừng lại. Cách đây hai năm, Cơ quan hàng không vũ trụ Mỹ (NASA) đã tái khởi động dự án sản xuất Pu238, với kinh phí 15 triệu USD mỗi năm dành cho Phòng năng lượng hạt nhân thuộc Cục năng lượng (DOE).

Trong thí nghiệm mới, Wham và các cộng sự đã trộn oxit neptunium với nhôm rồi nén thành viên. Sau đó, họ chiếu xạ vào các viên này để tạo ra neptunium-238. Nguyên tố này không bền, sẽ phân rã rất nhanh thành Pu238. Bằng cách này, họ đã tạo ra được khoảng 50 gam Pu238, đủ để nghiên cứu các tính chất.

Do các nhà khoa học sử dụng cơ sở hạ tầng hiện tại của Bộ Năng lượng, họ cần phải thích ứng với các điều kiện có sẵn. "Các lò phản ứng tại khu nghiên cứu của DOE nhỏ hơn các lò tại Savannah River, vì vậy chúng tôi phải thay đổi công nghệ cho phù hợp", Wham nói.

Tiếp theo, nhóm nghiên cứu sẽ kiểm tra độ tinh khiết của mẫu và tìm cách mở rộng quy mô sản xuất.

"Một khi có thể tự động hóa và mở rộng quy mô quá trình này, các quốc gia sẽ có khả năng sản xuất các hệ thống điện sử dụng đồng vị phóng xạ như những gì NASA đang làm ở các dự án thám hiểm không gian", theo Wham.

Nhiệm vụ tiếp theo của NASA là sử dụng năng lượng đồng vị phóng xạ trong dự án phóng tàu vũ trụ lên sao Hỏa dự kiến vào tháng 7/2020, theo các nhà nghiên cứu. Tàu vũ trụ sẽ được thiết kế để tìm kiếm dấu hiệu của sự sống trên hành tinh Đỏ, thu thập mẫu đất đá để thí nghiệm trên Trái Đất và nghiên cứu công nghệ thăm dò của con người.