Động cơ tên lửa có thể chở người tới sao Hỏa chỉ trong hơn một tháng

Trạm vũ trụ Thiên Cung có thể mở đường cho nhiệm vụ có người lái tới sao Hỏa thông qua sử dụng hệ thống đẩy ion.

Động cơ đẩy ion phát ra vầng sáng màu xanh khi hoạt động. Ảnh: NASA.

Module lõi Thiên Hà của trạm hoạt động nhờ 4 động cơ ion hay còn gọi là động cơ đẩy hiệu ứng Hall, một dạng lực đẩy điện đã tồn tại hàng chục năm và có thể giảm đáng kể thời gian bay tới sao Hỏa. Các động cơ ion cung cấp năng lượng cho module Thiên Hà khá nhỏ so với động cơ tên lửa nhưng vô cùng hiệu quả.

Ví dụ, Trạm Vũ trụ Quốc tế (ISS) tiêu thụ hơn 4 tấn nhiên liệu hàng năm để hoạt động ở quỹ đạo gần Trái Đất. Nếu dùng động cơ ion, lượng nhiên liệu tiêu thụ sẽ giảm xuống 400 kg, chỉ cần nạp nhiên liệu một lần mỗi năm, theo Viện Hàn lâm Khoa học Trung Quốc.

Với công nghệ tên lửa hiện nay, chuyến bay có người lái tới sao Hỏa mất hơn 8 tháng và cần tàu vũ trụ đủ lớn để chở nhiên liệu và nhiều vật tư khác. Nhưng một số nhà nghiên cứu tính toán tàu vũ trụ trang bị động cơ đẩy ion 200 megawatt (MW) có thể rút ngắn hành trình xuống 39 ngày, cho phép sử dụng tàu nhỏ hơn hoặc chở nhiều vật tư hơn trong nhiệm vụ.

SpaceX, công ty hàng không vũ trụ do tỷ phú Mỹ Elon Musk sáng lập, lên kế hoạch phóng hàng chục nghìn vệ tinh nhỏ hoạt động bằng động cơ ion. Trong khi đó, Trung Quốc đã ứng dụng công nghệ trên một số vệ tinh và lên kế hoạch sử dụng ở nhiều lĩnh vực, từ chùm vệ tinh có thể thu sóng hấp dẫn, vệ tinh thương mại và quân sự thế hệ mới tới tàu vũ trụ hạt nhân tốc độ nhanh chở phi hành gia tới sao Hỏa.

Phần lớn động cơ ion dùng trong vũ trụ sản sinh khoảng một kilowatt điện, nhưng Trung Quốc dự định tạo ra động cơ công suất lớn hơn nhiều. Đối với đa số nhiệm vụ không gian như khám phá không gian sâu, công suất của hệ thống đẩy điện có thể trên 5 MW, thậm chí lên tới 500 MW. Công suất cao hơn đồng nghĩa với thời gian di chuyển tới mục tiêu khám phá ngắn hơn, theo Hang Guanrong và đồng nghiệp ở Viện trạm vũ trụ Thượng Hải.

Động cơ đẩy hiệu ứng Hall được gọi theo tên Edwin Herbert Hall, nhà vật lý người Mỹ phát hiện các hạt tích điện có thể sản sinh lực đẩy vào thập niên 1930, nhưng các nhà khoa học và kỹ sư Xô Viết là những người đầu tiên đưa công nghệ vào thực tiễn. Họ bắt đầu chế tạo nhiều loại động cơ đẩy Hall dùng cho vệ tinh vào thập niên 1970 và thậm chí bán một số động cơ cho NASA.

Dù NASA cũng bắt tay vào chế tạo động cơ đẩy ion, nhà chức trách Mỹ xem đây là động cơ phụ vì nhiều lý do. Lực đẩy do hệ thống đẩy điện tạo ra thường khá nhỏ. Quan trọng hơn, hạt tích điện có thể xói mòn các bộ phận động cơ, rút ngắn tuổi thọ của vệ tinh, khiến phi hành gia gặp nguy hiểm.

Ở Trung Quốc, các nhà khoa học đang làm việc để cải tiến công nghệ. Viện trạm vũ trụ Thượng Hải bắt đầu thử nghiệm trên mặt đất động cơ HET-3000 công suất 50 MW, được thiết kế chủ yếu cho nhiệm vụ chở người quy mô lớn cùng hàng hóa tới Mặt Trăng và sao Hỏa. Khi khởi động, động cơ đẩy ion sản sinh luồng khói màu xanh dương và vầng sáng hình tròn tạo bởi hạt tích điện cực nóng, giúp phương tiện bay nhanh gấp hơn 30 lần vận tốc âm thanh.

Nhóm nghiên cứu ở Trung Quốc thử nghiệm động cơ đẩy tới giới hạn để đảm bảo thiết bị có thể chịu hư hỏng gây ra bởi hạt tích điện, có thể sử dụng an toàn trong nhiệm vụ chở người. Theo Viện Hàn lâm Khoa học Trung Quốc, động cơ đẩy ion cháy không ngừng trong 8.240 giờ, tức hơn 11 tháng, mà không bị trục trặc, chứng tỏ nó có thể đáp ứng mức tuổi thọ 11 năm theo thiết kế của trạm vũ trụ Thiên Cung.

Để bảo vệ động cơ khỏi xói mòn, các nhà nghiên cứu đặt từ trường ở mặt bên trong của động cơ để đẩy những hạt gây hại. Họ cũng tạo ra một vật liệu sứ đặc biệt, được thiết kế để duy trì ổn định trong thời gian dài khi gặp nhiệt độ và bức xạ cực hạn. Nhóm nhà khoa học vật liệu ở tỉnh Liêu Ninh mất hàng chục năm nghiên cứu để tìm ra giải pháp này.

Theo/SCMP