Trong những năm gần đây, công nghệ đẩy điện đang ngày càng thu hút sự quan tâm của các nhà khoa học và kỹ sư vũ trụ. Động cơ đẩy điện (EP) được kỳ vọng sẽ cách mạng hóa hoạt động thăm dò không gian, cung cấp giải pháp thay thế tiết kiệm nhiên liệu cho tên lửa hóa học truyền thống.
Công nghệ đẩy điện là gì?
Công nghệ đẩy điện (Electric Propulsion – EP) sử dụng điện năng để ion hóa nhiên liệu và tạo ra lực đẩy thông qua từ trường hoặc điện trường. Các ion này tạo thành chùm plasma tốc độ cao, đẩy tàu vũ trụ về phía trước. Một số hệ thống đẩy điện phổ biến bao gồm:
- Động cơ Hall (Hall Effect Thruster – HET): Sử dụng từ trường để tăng tốc các ion, phổ biến trong các vệ tinh viễn thông và tàu vũ trụ.
- Động cơ Ion (Ion Thruster): Dùng điện trường để gia tốc ion, cho lực đẩy cực kỳ hiệu quả nhưng tốc độ xả thấp.
- Động cơ Đẩy Plasma Tần Số Cao (VASIMR – Variable Specific Impulse Magnetoplasma Rocket): Dùng sóng vô tuyến để làm nóng plasma, giúp tăng tốc độ xả và điều chỉnh lực đẩy linh hoạt.
Electron đóng vai trò quan trọng trong động cơ điện
Nghiên cứu do Chen Cui từ Đại học Virginia dẫn đầu đã làm sáng tỏ hành vi phức tạp của các electron trong chùm tia plasma do động cơ đẩy EP tạo ra. Cui cho biết: “Để đảm bảo công nghệ vẫn khả thi cho các sứ mệnh dài hạn, chúng ta cần tối ưu hóa việc tích hợp EP với các hệ thống tàu vũ trụ”.
Nghiên cứu của Cui đi sâu vào thế giới vi mô của các electron trong chùm tia plasma . Những hạt tích điện âm nhỏ bé này đóng vai trò quan trọng trong hiệu suất chung của động cơ đẩy EP. “Những hạt này có thể nhỏ, nhưng chuyển động và năng lượng của chúng đóng vai trò quan trọng trong việc xác định động lực học vĩ mô của luồng khí phát ra từ động cơ đẩy điện”, ông nhấn mạnh.
Việc hiểu được cách luồng khí này tương tác với tàu vũ trụ là rất quan trọng. Một số hạt từ luồng khí có thể chảy ngược về phía tàu vũ trụ. Điều này có khả năng gây hư hỏng cho các thành phần nhạy cảm như tấm pin mặt trời và ăng-ten liên lạc. Đối với các nhiệm vụ dài ngày, việc đảm bảo hoạt động trơn tru và nhất quán của động cơ đẩy EP là tối quan trọng.
Điều này đòi hỏi phải hiểu sâu sắc về hành vi của luồng plasma để giảm thiểu các rủi ro tiềm ẩn. Cui nhận xét: “Đối với các nhiệm vụ có thể kéo dài nhiều năm, động cơ đẩy EP phải hoạt động trơn tru và ổn định trong thời gian dài”.
Cui giải thích trong một thông cáo báo chí rằng: “Các electron giống như những viên bi được đóng gói trong một ống” . “Bên trong chùm tia, các electron nóng và di chuyển nhanh. Nhiệt độ của chúng không thay đổi nhiều nếu bạn đi theo hướng chùm tia. Tuy nhiên, nếu các ‘viên bi’ lăn ra từ giữa ống, chúng bắt đầu nguội đi.
Sự nguội đi này xảy ra nhiều hơn theo một hướng nhất định, hướng vuông góc với hướng của chùm tia.” Nghiên cứu cho thấy sự phân bố vận tốc electron trong chùm tia plasma có hình dạng gần giống Maxwell (giống hình chuông) dọc theo hướng của chùm tia. Tuy nhiên, theo hướng ngang, nó sẽ hiển thị hình dạng “mũ chóp” độc đáo.
Tại sao công nghệ đẩy điện quan trọng với thám hiểm không gian sâu?
- Tiết kiệm nhiên liệu: Công nghệ đẩy điện có hiệu suất sử dụng nhiên liệu cao hơn nhiều so với động cơ hóa học, cho phép tàu vũ trụ di chuyển quãng đường xa hơn với khối lượng nhiên liệu nhỏ hơn.
- Thời gian hoạt động lâu dài: Hệ thống đẩy điện có thể hoạt động trong hàng nghìn giờ, giúp thực hiện các sứ mệnh kéo dài như thám hiểm sao Hỏa, sao Kim, tiểu hành tinh và các vệ tinh ngoài hệ Mặt Trời.
- Khả năng điều chỉnh lực đẩy linh hoạt: Động cơ điện có thể điều chỉnh mức độ lực đẩy theo nhu cầu, giúp tối ưu hóa hành trình và tiết kiệm năng lượng.
Những dự án tối ưu hóa công nghệ đẩy điện
1. NASA và động cơ điện thế hệ mới
NASA đang nghiên cứu hệ thống đẩy điện công suất cao như Advanced Electric Propulsion System (AEPS), dự kiến được triển khai trong sứ mệnh Gateway – một trạm không gian quỹ đạo Mặt Trăng hỗ trợ các sứ mệnh Artemis.
2. ESA và hệ thống đẩy điện cho sứ mệnh không gian sâu
Cơ quan Vũ trụ Châu Âu (ESA) đang phát triển động cơ đẩy điện HESTIA có khả năng hoạt động hiệu quả trong môi trường không gian sâu, giúp thực hiện các sứ mệnh như thám hiểm sao Kim và sao Hỏa.
3. Dự án VASIMR của Ad Astra Rocket Company
VASIMR là động cơ đẩy plasma tiên tiến với khả năng tạo lực đẩy cao hơn so với động cơ ion truyền thống, mở ra tiềm năng cho các sứ mệnh tới sao Hỏa chỉ trong vài tháng thay vì nhiều năm.
Thách thức và hướng phát triển của công nghệ đẩy điện
Mặc dù có nhiều ưu điểm, công nghệ đẩy điện vẫn đối mặt với một số thách thức:
- Nguồn điện cung cấp: Các hệ thống đẩy điện yêu cầu nguồn điện mạnh, thường là từ pin mặt trời hoặc lò phản ứng hạt nhân.
- Khả năng tạo lực đẩy lớn: Mặc dù hiệu suất cao, nhưng lực đẩy của động cơ điện thấp hơn nhiều so với động cơ hóa học, khiến nó không phù hợp cho các giai đoạn phóng ban đầu từ Trái Đất.
- Độ bền và tuổi thọ: Các thành phần trong động cơ đẩy điện cần được tối ưu hóa để chịu được thời gian vận hành dài và môi trường khắc nghiệt trong không gian.
Công nghệ đẩy điện đang mở ra một kỷ nguyên mới cho thám hiểm không gian sâu, giúp nhân loại tiến xa hơn vào vũ trụ với chi phí thấp hơn và hiệu suất cao hơn. Với những tiến bộ không ngừng, các hệ thống đẩy điện trong tương lai có thể giúp con người thực hiện các sứ mệnh đến sao Hỏa, và thậm chí là các hành tinh xa hơn trong Hệ Mặt Trời.
Tham khảo: Enhance electric thrusters’ performance
