Tàu vũ trụ sử dụng năng lượng gì để hoạt động?

Hình minh họa tàu vũ trụ Cassini lặn giữa Sao Thổ và các vành đai của nó vào năm 2017. Nhà cung cấp hình ảnh: NASA / JPL-Caltech

Hầu hết các tàu vũ trụ, bao gồm cả vệ tinh và một số tàu đổ bộ sao Hỏa, đều dựa vào các tấm pin mặt trời, nhưng đối với các chuyến đi hiểm trở và phức tạp như sứ mệnh tàu thám hiểm Mars Curiosity và các chuyến bay cực kỳ dài như chuyến bay tới Chân trời mới của Sao Diêm Vương và các mặt trăng của nó, chỉ có năng lượng khai thác từ các nguồn phóng xạ có thể cung cấp đủ

Một tàu vũ trụ thường nhận năng lượng từ ít nhất một trong ba nguồn năng lượng: Mặt trời, pin hoặc năng lượng nguyên tử. Để chọn nguồn năng lượng tốt nhất cho tàu vũ trụ, các kỹ sư phải cân nhắc xem nó đang hoạt động ở đâu, dự định làm gì ở đó, thời gian hoạt động.

Tùy thuộc vào nhiệm vụ của tàu vũ trụ, các kỹ sư phải tính toán để lựa chọn hệ thống điện tốt nhất cho tàu vũ trụ. Một số yếu tố họ xem xét là: Tàu vũ trụ đang du hành ở đâu, nó dự định làm gì ở đó và nó sẽ hoạt động trong bao lâu.

Năng lượng từ mặt trời (điện năng lượng mặt trời)

Các tấm pin mặt trời được sản xuất từ các tế bào quang điện là gallium-arsenide để chuyển đổi ánh sáng từ mặt trời thành điện năng dựa vào hiệu ứng quang điện. Các tấm pin mặt trời có thể được nghiêng để tiếp xúc diện tích tối đa với mặt trời. Các tàu vũ trụ quay quanh trái đất, được gọi là vệ tinh, đủ gần với mặt trời để chúng thường có thể sử dụng năng lượng mặt trời.

Nhà cung cấp hình ảnh: NASA / JPL-Caltech

Điện từ các tấm pin mặt trời được nạp vào pin lưu trữ trong tàu vũ trụ, những viên pin này có thể cung cấp năng lượng cho tàu vũ trụ ngay cả khi nó di chuyển ra khỏi ánh sáng mặt trời trực tiếp.

Xem thêm: Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của tấm pin năng lượng mặt trời

Năng lượng mặt trời cũng đã được sử dụng để cung cấp năng lượng cho tàu vũ trụ trên sao Hỏa. Tàu thăm dò sao Hỏa của NASA, Spirit and Opportunity và tàu đổ bộ Phoenix của sao Hỏa đều sử dụng năng lượng từ các tấm pin mặt trời và tàu đổ bộ InSight cũng vậy .

Các tàu vũ trụ du hành xa mặt trời có các tấm pin mặt trời rất lớn để có được điện năng cần thiết. Các tấm pin mặt trời được gấp lại để phóng và sau đó được mở ra khi tàu vũ trụ đã đi vào quỹ đạo. Ví dụ, tàu vũ trụ Juno của NASA sử dụng năng lượng mặt trời trên khắp sao Mộc, nơi nó quay quanh hành tinh. Mỗi mảng trong số ba mảng năng lượng mặt trời của Juno dài 30 feet (9 mét)

Tàu vũ trụ Tiangong 2 có hai cánh mở rộng từ hai bên của tàu vũ trụ, Mỗi cánh bao gồm bốn tấm pin mặt trời được tạo thành từ các tế bào năng lượng mặt trời gallium-arsenide. Mỗi cánh có diện tích khoảng 30m ² .  Các tấm pin mặt trời có thể tạo ra tới 6 kW điện một chiều khi được chiếu sáng đầy đủ. Nguồn được tạo ra ở 100 V và sau đó giảm xuống 28 V và 12 V bằng bộ chuyển đổi DC-DC để cấp nguồn cho các hệ thống con và thiết bị khác nhau trong phòng thí nghiệm.

Tuy nhiên, năng lượng mặt trời không hoạt động đối với tất cả các tàu vũ trụ. Một lý do là khi tàu vũ trụ di chuyển xa mặt trời hơn, năng lượng mặt trời trở nên kém hiệu quả hơn. Các nhà thám hiểm sử dụng năng lượng mặt trời cũng có thể bị giới hạn bởi thời tiết và các mùa của hành tinh cũng như bức xạ khắc nghiệt (một dạng năng lượng). Và họ có thể không khám phá được môi trường tối tăm, bụi bặm, chẳng hạn như hang động trên mặt trăng.

Khi năng lượng mặt trời không hoạt động, các tàu vũ trụ phải lấy năng lượng theo cách khác. Vì vậy, các nhà khoa học đã phát triển những cách khác để những con tàu vũ trụ này có thể nhận được năng lượng. Một cách đơn giản là sử dụng pin có thể lưu trữ năng lượng cho tàu vũ trụ sử dụng sau này.

Năng lượng từ pin lưu trữ

Đôi khi, các nhiệm vụ được thiết kế để kéo dài một khoảng thời gian ngắn. Ví dụ, tàu thăm dò Huygens hạ cánh trên mặt trăng lớn Titan của Sao Thổ chỉ hoạt động trong vài giờ. Vì vậy, một tấm pin đã cung cấp đủ năng lượng cho tàu đổ bộ thực hiện công việc của nó.

Pin tàu vũ trụ được thiết kế để có độ bền cao vì nó cần phải làm việc trong môi trường khắc nghiệt trong không gian và trên bề mặt của các hành tinh khác. Pin cũng cần được sạc lại nhiều lần. Theo thời gian, các nhà khoa học của NASA đã phát minh ra nhiều cách để cải thiện những viên pin này. Giờ đây, chúng có thể lưu trữ nhiều năng lượng hơn với kích thước nhỏ hơn và tồn tại lâu hơn.

Năng lượng từ nguyên tử

Nguyên tử là một khối cấu tạo nhỏ của vật chất. Hầu hết mọi thứ chúng ta biết trong vũ trụ đều được tạo thành từ các nguyên tử. Các nguyên tử phải tích trữ rất nhiều năng lượng để tự kết hợp với nhau. Nhưng, một số nguyên tử – được gọi là đồng vị phóng xạ – không ổn định và bắt đầu tan rã. Khi các nguyên tử tan rã, chúng giải phóng năng lượng dưới dạng nhiệt.

Hệ thống điện bằng đồng vị phóng xạ sử dụng sự chênh lệch nhiệt độ giữa nhiệt từ các nguyên tử không ổn định và độ lạnh của không gian để sản xuất điện. NASA đã sử dụng loại hệ thống này để cung cấp năng lượng cho nhiều sứ mệnh. Ví dụ, nó đã thực hiện các sứ mệnh tới sao Thổ, sao Diêm Vương và thậm chí cả tàu vũ trụ đã du hành đến không gian giữa các vì sao. Loại hệ thống năng lượng này cũng cung cấp năng lượng cho tàu thám hiểm Curiosity trên sao Hỏa.

Hệ thống đồng vị phóng xạ tạo ra năng lượng trong một thời gian rất dài, ngay cả trong môi trường khắc nghiệt. Trên thực tế, hai tàu vũ trụ Voyager của NASA sử dụng loại năng lượng này. Chúng đã đi xa hơn bất kỳ vật thể nhân tạo nào khác và vẫn đang gửi lại thông tin sau hơn 40 năm trong không gian.

Nguyên lý hoạt động của máy phát nhiệt điện đồng vị phóng xạ

NASA sử dụng máy phát nhiệt điện đồng vị phóng xạ (RTG) để sản xuất điện cho tàu vũ trụ. Một RTG khai thác nhiệt được tạo ra bởi sự phân rã phóng xạ của plutonium-238 dioxide, có thể được tinh chế từ các sản phẩm phụ của quá trình làm giàu cần thiết để tạo ra một đồng vị nặng hơn, dễ phân hạch hơn, plutonium-239, cho vũ khí hạt nhân. Đồng vị nhẹ hơn tạo ra rất ít bức xạ gamma, có nghĩa là nó cần một lớp che chắn tương đối ít trong tàu vũ trụ.

Khi Pu-238 phân hủy trong chu kỳ bán rã gần 88 năm của nó – sau 88 năm, khoảng một nửa khối lượng ban đầu vẫn còn, sau đó lại một nửa trong mỗi khoảng thời gian 88 năm liên tiếp – nhiệt của nó được chuyển thành điện thông qua các cặp nhiệt điện (hoặc cặp nhiệt điện ), dựa trên hiệu ứng Seebeck. Điều này được nhà vật lý người Đức Thomas Johann Seebeck mô tả lần đầu tiên vào năm 1821, mặc dù ông không hoàn toàn nhận ra điều mình đang thấy: dòng điện chạy giữa hai kim loại được duy trì ở các nhiệt độ khác nhau.

Trong loại RTG được sử dụng trong New Horizons và một số nhiệm vụ trước đó, mặt nóng của kết nối đạt trung bình 1.308 Kelvin (1.894 ° F) khi phóng và mặt lạnh khoảng 566 Kelvin (559 ° F). Nhiệt độ tối đa giảm dần theo thời gian khi nhiên liệu phân hủy, góp phần giảm dần sản lượng điện. Nhưng vẫn đủ năng lượng sau nhiều năm trong không gian để cung cấp năng lượng cho nhiều thiết bị khoa học, chạy máy tính và xử lý truyền thông dữ liệu đường dài.

Máy phát nhiệt phóng xạ (RTG) có an toàn không?

Plutonium, thành phần hoạt tính trong hầu hết các máy phát nhiệt phóng xạ (RTG) là một kim loại nặng độc hại như chì. Nếu nó ở dạng bột và hít phải, nó là một tác nhân gây ung thư. Nhưng điều này không có khả năng xảy ra. RTGs hoạt động theo một công nghệ khác nhiều so với các nhà máy điện hạt nhân thông thường ở Mỹ hoặc Châu Âu. Plutonium (khoảng vài kg của nó) được niêm phong bên trong một lớp vỏ cứng, chống bức xạ. Vỏ được thiết kế để tồn tại trong tất cả các tai nạn có thể tưởng tượng được, vì vậy ngay cả trong trường hợp không may xảy ra sự cố phóng, không hạt phóng xạ nào thoát ra ngoài.

Vì RTG sử dụng quá trình phân rã phóng xạ, mỗi lần phóng bất kỳ phương tiện nào có RTG đều phải có sự chấp thuận của Tổng thống. Cho rằng chúng là cách hợp lý duy nhất để cung cấp năng lượng cho các vệ tinh ngoài quỹ đạo của sao Hỏa (khi các tấm pin mặt trời ngừng hoạt động), RTG là cần thiết. Do đó, các kỹ sư NASA luôn cố gắng biến chúng thành những bộ phận an toàn nhất, không thể phá hủy nhất của tàu vũ trụ.

RTG không thể phát nổ như vũ khí hạt nhân. Đây là một kỹ thuật khác nhiều so với kỹ thuật được sử dụng bởi các nhà máy điện hạt nhân trên trái đất. Quá trình đó được gọi là quá trình phân hạch , và đạt được tỷ lệ hiệu suất rất cao bằng cách “tách” các vật liệu phóng xạ không ổn định (như uranium) thành các phần nhỏ hơn theo đúng nghĩa đen. Sự phân hạch tạo ra một lượng nhiệt rất lớn, nhưng phức tạp hơn nhiều và không đáng tin cậy như chỉ sử dụng nhiệt do phân rã phóng xạ tạo ra. Về cơ bản, sự phân hạch mang lại cho bạn một sự giải phóng năng lượng lớn và sử dụng nhiên liệu nhanh chóng. RTG cung cấp một lượng năng lượng ổn định hơn và nhỏ hơn nhiều.

Nhiên liệu cho máy phát nhiệt điện đồng vị phóng xạ

“Nhiên liệu” cho máy phát nhiệt điện bằng đồng vị phóng xạ là một loại nguyên tố không ổn định. Khi phần tử không ổn định đó phân hủy, nó tạo ra nhiệt, mà RTG có thể sử dụng để tạo ra điện.

Bảng dưới đây tóm tắt các loại nhiên liệu được sử dụng. Lưu ý rằng khi chúng ta nói về watt, chúng ta đang nói về một đơn vị công suất và chúng ta đang đề cập đến việc tạo ra bao nhiêu watt công suất dưới dạng nhiệt. Có một số công suất bị mất khi chuyển đổi từ nhiệt thành điện năng thông qua các cặp nhiệt điện.

Lựa chọn giữa các loại nguồn điện cho tàu vũ trụ

Mỗi nguồn điện có sẵn cho một vệ tinh hoặc các tàu vũ trụ khác đều có những điểm mạnh và điểm yếu khác nhau. Thông thường thông qua việc kết hợp các nguồn điện khác nhau này, chúng ta mới tìm thấy các nguồn điện thực sự thành công.

• Pin là một công nghệ đáng tin cậy, nhất quán và được hiểu rõ. Thật không may, nhu cầu điện năng cho vệ tinh có xu hướng cao đến mức pin đủ mạnh để cung cấp năng lượng cho vệ tinh trong thời gian thực hiện sứ mệnh sẽ lớn hơn chính vệ tinh. Do đó, pin có xu hướng được sử dụng làm điểm lưu trữ tạm thời cho nguồn điện từ một nguồn khác.

• Các tấm pin mặt trời, đặc biệt là những tấm hiện đại, cung cấp năng lượng dồi dào cho gần như tất cả các nhu cầu của vệ tinh và an toàn và sạch sẽ để phóng. Nhược điểm là:

  • Các tấm pin mặt trời là những công trình xây dựng lớn và mỏng manh, dễ bị hư hại bởi các yếu tố bên ngoài (pháo sáng mặt trời hoặc tên hai là thiên thạch) hoặc thậm chí chỉ là hỏng hóc cơ học.

  • Chúng khá tốn kém để xây dựng và đưa vào không gian.

  • Chúng cần phải luôn hướng về phía Mặt trời, có nghĩa là chúng không hữu ích khi bị các hành tinh hoặc các vật thể khác chặn lại.

  • Chúng trở nên kém hữu ích hơn đáng kể khi vệ tinh càng xa Mặt trời, điều này thường có nghĩa là các sứ mệnh sử dụng năng lượng mặt trời không thể đi xa hơn quỹ đạo của sao Hỏa.

• Máy phát nhiệt điện đồng vị phóng xạ cũng đáng tin cậy và nhất quán. Chúng có xu hướng rất tốn kém để xây dựng và sự phản đối của công chúng đối với việc sử dụng chúng rất mạnh vì mọi người lo sợ chúng có thể làm rò rỉ các chất phóng xạ trong một lần phóng hỏng.

• Tế bào nhiên liệu cũng giống như pin chỉ là chúng có tuổi thọ cao hơn và có thể được tiếp nhiên liệu. Chúng đã được sử dụng trong Tàu con thoi và khá hữu ích trong các nhiệm vụ gần Trái đất khác. Tuy nhiên, đối với những chuyến bay dài chúng cần nhiều nhiên liệu. Chúng cũng chạy rất nóng (400-1000 F), và nhiệt thải thường khó quản lý.

Vệ tinh đầu tiên sử dụng năng lượng mặt trời là Vanguard I của Mỹ, được phóng ở Cape Canaveral Florida vào ngày 17/3/1958 với quỹ đạo cách Trái Đất 650 – 3.800 km. Đây là vệ tinh nhân tạo thứ 4 và có thời gian bay trên quỹ đạo Trái Đất lâu nhất và là vệ tinh đầu tiên sử dụng tấm pin năng lượng mặt trời.

Ngày 17/3/1958, tên lửa Vanguard cũng đưa Vanguard 1 bay vào vũ trụ. Không lâu sau, vệ tinh có đường kính 16,5 cm, nặng 1,46 kg này truyền về những tín hiệu vô tuyến đầu tiên. Vì là vệ tinh đầu tiên hoạt động bằng năng lượng mặt trời nên nó vẫn liên tục truyền dữ liệu đến năm 1964. Máy phát chạy bằng pin ngừng hoạt động vào tháng 6/1958 khi pin cạn kiệt. Máy phát năng lượng mặt trời hoạt động cho đến tháng 5/1964 (khi các tín hiệu cuối cùng nhận được ở Quito, Ecuador), sau đó tàu vũ trụ được theo dõi quang học từ Trái đất.

Dù không còn gửi tín hiệu từ năm 1964, Vɑnguard 1 vẫn tiếp tục chuyến hành trình dài ngoài không giɑn của mình suốt gần 60 năm qua.

Xem thêm: Lịch sử tấm pin năng lượng mặt trời