NASA phát triển pin hạt nhân tuổi thọ 433 năm, mở đường cho hành trình liên sao

Hành trình hơn nửa thế kỷ dùng pin hạt nhân

Từ đầu thập niên 1960, NASA đã sử dụng hệ thống năng lượng đồng vị phóng xạ (RPS), một loại pin hạt nhân, để duy trì hoạt động cho nhiều sứ mệnh không gian. Những con tàu huyền thoại như Voyager 1 và 2, New Horizons, hay robot thám hiểm Curiosity và Perseverance trên sao Hỏa đều hoạt động nhờ loại pin đặc biệt này.

Cơ chế vận hành rất độc đáo: thay vì sử dụng ánh sáng Mặt Trời như pin quang điện, RPS dựa trên sự phân rã phóng xạ của đồng vị để sinh ra nhiệt, từ đó tạo thành điện năng. Nhiệt lượng tỏa ra giúp thiết bị duy trì sự sống trong môi trường khắc nghiệt, từ không gian liên sao lạnh giá đến bề mặt sao Hỏa bụi đỏ.

Trong nhiều thập kỷ, plutonium-238 là lựa chọn duy nhất của NASA. Đồng vị này có chu kỳ bán rã khoảng 88 năm, đủ lâu để duy trì năng lượng cho những nhiệm vụ kéo dài hàng chục năm. Tuy nhiên, khi tham vọng vươn xa của loài người ngày càng lớn – thậm chí hướng đến các hành trình liên sao kéo dài hàng trăm năm – plutonium-238 không còn đủ đáp ứng.

Americium-241: “Chìa khóa” mới cho năng lượng vũ trụ dài hạn

Để khắc phục giới hạn đó, các nhà nghiên cứu NASA đang thử nghiệm americium-241 (Am-241) – một đồng vị có chu kỳ bán rã lên tới 433 năm, gấp 5 lần plutonium-238. Điều này đồng nghĩa với việc pin hạt nhân dùng Am-241 có thể cung cấp năng lượng ổn định suốt nhiều thế kỷ, mở ra khả năng cho các tàu vũ trụ tiến vào vùng sâu của hệ Mặt Trời, thậm chí vượt ra ngoài mà vẫn hoạt động bền bỉ.

Am-241 vốn là sản phẩm phụ từ lò phản ứng hạt nhân, hiện được các phòng thí nghiệm tại Mỹ và Anh nghiên cứu để ứng dụng vào công nghệ không gian. Tháng 1/2025, NASA phối hợp cùng Đại học Leicester (Anh) đã tiến hành thử nghiệm thành công nguyên mẫu pin Am-241. Kết quả ban đầu cho thấy đồng vị này hoàn toàn có thể thay thế plutonium trong các nhiệm vụ dài hạn.

Tuy nhiên, việc sử dụng đồng vị phóng xạ đòi hỏi tiêu chuẩn an toàn cực kỳ nghiêm ngặt. Nhiên liệu hạt nhân phải ở dạng gốm đặc, khó tan, ít nguy cơ gây hại ngay cả khi bị nuốt phải. Đồng thời, chúng phải ổn định ở nhiệt độ cao, tạo ra đủ nhiệt từ một lượng nhỏ và có thể chế tạo thành mảnh lớn thay vì bụi mịn dễ phát tán.

NASA còn nghiên cứu cải tiến cách chuyển đổi nhiệt thành điện. Thay vì chỉ dựa trên cơ chế trục khuỷu truyền thống, một nguyên mẫu bộ biến đổi Stirling piston tự do đang được thử nghiệm, hứa hẹn mang lại hiệu suất cao hơn trong điều kiện vi trọng lực.

Hiện nay, plutonium-238 vẫn được sản xuất tại Phòng thí nghiệm Quốc gia Oak Ridge và Idaho, còn quá trình tinh chế Am-241 đang được triển khai tại Phòng thí nghiệm Los Alamos để đảm bảo hiệu quả và an toàn.

Với tiềm năng vượt trội, Am-241 không chỉ là giải pháp cho những tàu vũ trụ thế hệ mới, mà còn có thể trở thành “nguồn năng lượng vĩnh cửu” cho các căn cứ Mặt Trăng, sao Hỏa và thậm chí các trạm không gian nhân tạo trong tương lai.