Không cần pin mặt trời, không cần sạc: NASA dùng thiết bị gì để vận hành tàu suốt 50 năm ở khoảng cách 25 tỷ km?

Tấm pin mặt trời không còn phát huy tác dụng ở rìa ngoài hệ Mặt trời, nơi ánh sáng Mặt trời yếu ớt đến mức không thể cung cấp đủ năng lượng cho tàu vũ trụ. Đây là lý do vì sao các tàu thăm dò Voyager của NASA phải dựa vào một công nghệ ra đời từ những năm 1960: pin hạt nhân, hay còn gọi là máy phát nhiệt điện đồng vị phóng xạ (RTG), để tiếp tục hoạt động ở khoảng cách hàng tỷ dặm từ Trái đất.

Gần Trái đất, các tàu vũ trụ sử dụng những tấm pin mặt trời lớn để tạo ra năng lượng cho hệ thống liên lạc và thiết bị khoa học. Nhưng càng đi xa, ánh sáng Mặt trời càng mờ nhạt, khiến năng lượng mặt trời trở nên kém hiệu quả. Ngay cả trong hệ Mặt trời bên trong, như các sứ mệnh lên Mặt trăng hoặc sao Hỏa, tàu vũ trụ vẫn cần những nguồn năng lượng thay thế.

Theo The Conversation, môi trường không gian cực kỳ khắc nghiệt: bức xạ mạnh, nhiệt độ dao động từ hàng trăm độ âm đến hàng trăm độ dương, cùng những yêu cầu kỹ thuật nghiêm ngặt để giữ cho tàu vũ trụ hoạt động ổn định. Trong bối cảnh đó, các kỹ sư đã phát triển RTG – công nghệ sử dụng sự phân rã phóng xạ của plutonium-238 để tạo ra điện năng.

Khi phân rã, plutonium-238 phát ra các hạt alpha, truyền năng lượng cho vật chất xung quanh và sinh nhiệt. Nhiệt lượng này sau đó được chuyển đổi thành điện năng thông qua hiệu ứng Seebeck – nguyên lý được nhà khoa học Thomas Seebeck phát hiện vào năm 1821. Về cơ bản, hiệu ứng này cho thấy khi hai dây dẫn bằng các vật liệu khác nhau được kết nối trong một vòng kín và chịu sự chênh lệch nhiệt độ, dòng điện sẽ được tạo ra.

Một RTG tiêu chuẩn chứa plutonium-238 ở dạng gốm rắn an toàn, được bao quanh bởi vật liệu cách nhiệt và các cặp nhiệt điện. Một mặt của cặp nhiệt điện được giữ ở nhiệt độ cao (khoảng 538°C), mặt còn lại tiếp xúc với không gian lạnh giá. Sự chênh lệch nhiệt độ này tạo ra dòng điện đủ để vận hành các hệ thống trên tàu vũ trụ.

Mặc dù một RTG chỉ tạo ra vài trăm watt – đủ để vận hành một chiếc laptop – nhưng ở vùng sâu của không gian, nơi không có nguồn năng lượng thay thế, con số đó là quá đủ. Ưu điểm lớn nhất của RTG là khả năng cung cấp năng lượng ổn định suốt hàng chục năm mà không cần bộ phận chuyển động, giảm thiểu nguy cơ hỏng hóc. Một nửa lượng plutonium trong RTG sẽ phân rã sau khoảng 90 năm.

RTG đã góp phần vào thành công của nhiều sứ mệnh không gian quan trọng của NASA như tàu thám hiểm Curiosity, Perseverance trên sao Hỏa hay tàu New Horizons thăm sao Diêm Vương. Tuy nhiên, không sứ mệnh nào minh chứng sức mạnh của RTG rõ ràng hơn Voyager.

Hai tàu Voyager 1 và 2 được phóng năm 1977, mỗi tàu trang bị ba RTG, cung cấp tổng cộng 470 watt điện tại thời điểm phóng. Gần 50 năm sau, cả hai tàu vẫn hoạt động và truyền dữ liệu về Trái đất, từ khoảng cách 15,5 tỷ dặm (Voyager 1) và 13 tỷ dặm (Voyager 2). Chúng là những vật thể nhân tạo xa Trái đất nhất từng được con người tạo ra. Và RTG chính là "trái tim" giúp chúng sống sót trong hành trình chưa từng có trong lịch sử loài người.