Chất thải hạt nhân làm nhiên liệu khám phá vũ trụ

Tại một cuộc họp mới đây, các nước EU đã đồng ý tài trợ 29 triệu euro (30 triệu USD), cho chương trình Thiết bị châu Âu sử dụng năng lượng đồng vị phóng xạ (ENDURE), nhằm phát triển các thiết bị chạy bằng americium vào đầu những năm 2030, kịp sử dụng cho một loạt sứ mệnh Mặt trăng của ESA.

“Nếu muốn tự chủ trong việc khám phá vũ trụ, chúng tôi cần làm chủ công nghệ này", Jason Hatton, nhà nghiên cứu tại Trung tâm Công nghệ và Nghiên cứu Vũ trụ châu Âu (ESTEC) ở Noordwijk, Hà Lan, và là một trong những người đứng đầu chương trình ENDURE, nói. Các mục tiêu khám phá không gian ngày càng tham vọng của ESA đồng nghĩa với việc phải làm chủ được nguồn năng lượng, Hatton nói thêm.

Americium, sản phẩm phụ của quá trình phân rã plutonium, chưa bao giờ được sử dụng làm nhiên liệu. Đối với các nhiệm vụ không thể sử dụng năng lượng mặt trời, do bóng râm hoặc cách xa mặt trời, ESA sử dụng pin plutonium-238 của các đối tác Mỹ hoặc Nga - hai nước có lịch sử lâu dài phát triển pin hạt nhân. Nhưng nguồn plutonium-238 đã bị thiếu hụt trong thập kỷ qua và loại pin này có chi phí sản xuất cao.

Ngoài ra, ESA đã cắt đứt quan hệ sau xung đột Nga - Ukraine. Các chuyên gia của ESA nhận định, tình hình chính trị hiện tại cho thấy không thể dựa vào các đối tác.

Việc thiếu nguồn năng lượng từ lâu đã là hạn chế của các nhiệm vụ không gian của châu Âu. Năm 2014, khi tàu thăm dò Philae của ESA hạ cánh xuống sao chổi hoạt động chưa đầy 3 ngày thì đi vào vùng có bóng râm, dẫn đến pin mặt trời vô hiệu hóa.

Lợi thế lớn của americium so với plutonium là chi phí và mức độ sẵn có. Americium vốn là một phụ phẩm vô dụng. Các nhà nghiên cứu tại Phòng thí nghiệm Hạt nhân Quốc gia (NNL) của chính phủ Vương quốc Anh ở Sellafield đã chỉ ra rằng có thể chiết xuất americium từ nhiên liệu hạt nhân plutonium-238 đã qua sử dụng ở các nhà máy điện.

Americium có chu kỳ bán rã dài hơn plutonium-238, có nghĩa là nó tồn tại lâu hơn nhưng chứa ít năng lượng hơn trên mỗi gam. Nhưng vì americium sẵn có hơn nên việc sản xuất một watt điện từ americium có chi phí chỉ bằng 1/5 so với sản xuất từ plutonium, Markus Landgraf, nhà nghiên cứu điều phối các nhiệm vụ mặt trăng của châu Âu trong tương lai tại ESTEC, cho biết.

Trong 3 năm tới, nhóm ENDURE sẽ phát triển các thiết bị chạy bằng americium và đưa vào thử nghiệm trong các điều kiện giống như trong nhiệm vụ khám phá không gian. Hiện nay họ đã có 2 thiết bị. Một thiết bị gia nhiệt bằng đồng vị phóng xạ, dùng nhiệt sinh ra từ americium đang phân hủy; và một máy phát nhiệt điện đồng vị phóng xạ (RTG), dùng nhiệt từ americium để sản xuất điện bằng cách tạo ra sự chênh lệch nhiệt độ giữa các tấm kim loại.

Đây là các thiết bị vốn chạy bằng năng lượng plutonium, nhưng được thiết kế lại để tương thích với khối lượng lớn và nhiệt độ thấp hơn, Richard Ambrosi, nhà vật lý và chuyên gia về hệ thống năng lượng vũ trụ, người dẫn đầu nhóm nghiên cứu tại Đại học Leicester đã hợp tác với NNL để phát triển 2 thiết bị, cho biết. Nâng cao sản lượng chiết xuất americium lên mức cần thiết cũng là một trong những mục tiêu của ENDURE.

An toàn là yếu tố quan trọng khi sử dụng các vật liệu phóng xạ, Ambrosi nói thêm. ENDURE sẽ có các thử nghiệm an toàn, bao gồm giám sát hoạt động của các bộ phận ở nhiệt độ cao trong môi trường nhiều tác động, để đảm bảo rằng chất phóng xạ không bị rò rỉ.

ESA phải mất hơn một thập kỷ nghiên cứu để đưa công nghệ americium đến giai đoạn có thể triển khai cho các nhiệm vụ không gian không thể sử dụng năng lượng mặt trời. Đây là tình huống mà các nhiệm vụ Mặt trăng, nơi đêm dài bằng 14 ngày trên Trái đất, và các nhiệm vụ thám hiểm Hệ Mặt trời bên ngoài sao Mộc, phải đối mặt. Để tồn tại trong các đêm khắc nghiệt trên Mặt trăng, xe tự hành Chang’e-4 đang hoạt động của Trung Quốc sử dụng các thiết bị sưởi chạy bằng năng lượng plutonium được chế tạo với sự hợp tác của Nga.

ESA dự định sử dụng năng lượng americium trước tiên cho tàu đổ bộ Mặt trăng Argonaut, dự kiến được phóng vào đầu những năm 2030; và tiếp theo là cho các nhiệm vụ khám phá Uranus và Neptune.

Theo các chuyên gia của ESA, có thể NASA cũng sẽ muốn sử dụng americium.