Được tiếp xúc với nhiệt độ hơn 1.000 độ C liên tục trong 270 ngày, vật liệu GRX-810 vẫn giữ nguyên chất lượng: Bí mật ẩn chứa ở đâu?

GRX-810 hứa hẹn mở ra một thời đại mới trong lĩnh vực khoa học vật liệu.

Trong thời gian gần đây, có hai quốc gia phương Tây công bố việc phát triển động cơ tên lửa nhiệt hạch, nhằm đem lại tiến bộ trong việc du hành vũ trụ và rút ngắn thời gian di chuyển giữa các hành tinh.

Nếu Anh công bố việc phát triển Động cơ tên lửa truyền động nhiệt hạch trực tiếp (DFD), giúp tên lửa vũ trụ đạt tốc độ cực đại 805.000 km/giờ - thì Mỹ hứa hẹn mở ra một thời đại mới cho loài người với hệ thống đẩy mang tên Tên lửa trình diễn cho các hoạt động Agile Cislunar (DRACO). Cả hai dự kiến ra mắt vào năm 2027.

Điểm chung của hai thế hệ động cơ tên lửa tiên tiến này là sử dụng năng lượng hạt nhân để hoạt động. Lò phản ứng hạch trong động cơ tên lửa của Anh có thể tạo ra nhiệt độ lên đến vài trăm triệu độ, cao hơn cả nhiệt độ trung bình của lõi Mặt Trời hàng trăm lần. Trong khi đó, lò phản ứng phân hạch trong động cơ tên lửa của Mỹ sẽ chuyển hydro đông lạnh thành khí nén cực nóng, đạt 2.427 độ C.

Đây là thời điểm mà những vấn đề bắt đầu nảy sinh.

Cả Mỹ và Anh đều phải đối mặt với câu hỏi: Họ sẽ sản xuất ra loại vật liệu nào (cho lò phản ứng) có thể chịu được nhiệt độ và áp suất siêu lớn đó một cách ổn định?

GRX-810: KỶ NGUYÊN MỚI TRONG NGHIÊN CỨU VẬT LIỆU

Tìm ra cách sản xuất các vật liệu có khả năng chịu được điều kiện áp suất và nhiệt độ cực cao là chìa khóa quan trọng để thúc đẩy công nghệ năng lượng và động cơ vũ trụ cả trên trái đất và trong không gian sâu.

Các nhà nghiên cứu của NASA đã phát hiện ra một phương pháp cách mạng để đối phó với thách thức này. Bằng cách kết hợp hợp kim kim loại với hạt gốm kim loại siêu nhỏ và sử dụng công nghệ in 3D, họ đã tạo ra một loại vật liệu mới đã được thử nghiệm và chứng minh có khả năng chịu áp suất và nhiệt độ cao hơn gấp 600 lần so với các hợp kim hiện tại.

Loại hợp kim đó được gọi là GRX-810.

GRX-810 có thể được ứng dụng trong các vòi phun tên lửa và thậm chí trong các lò phản ứng phân hạch hoặc hợp hạch. Điều này hứa hẹn mở ra một kỷ nguyên mới trong nghiên cứu vật liệu.

Tim Smith, kỹ sư nghiên cứu vật liệu tại Trung tâm Nghiên cứu Glenn của NASA, nói với Inverse: 'Chúng tôi đã mất một thời gian để tin rằng những kết quả này là thực sự. Khi nhận ra điều đó, chúng tôi hiểu rằng chúng tôi đã tạo ra một loại hợp kim mới có khả năng chịu được áp suất và nhiệt độ cực cao, đưa công nghệ du hành vũ trụ hạt nhân gần hơn với con người hơn bao giờ hết'.

GRX-810 chủ yếu được sản xuất từ nickel, coban và chromium, nhưng nó được kết hợp với các hạt gốm kim loại có kích thước nano được gọi là yttrium, tạo ra một loại hợp kim 'phân tán oxit tăng cường' (ODS).

Từ lâu, đã biết rằng việc kết hợp các vật liệu như vậy vào hợp kim kim loại có thể nâng cao độ bền, độ dẻo và độ cứng của chúng. Chúng cũng có khả năng chiếu xạ tốt hơn, do đó ứng dụng của hợp kim GRX-810 sẽ phổ biến trong môi trường bức xạ cao, trong các lò phản ứng phân hạch/hợp hạch.

Theo Tim Smith, NASA và một số quốc gia khác đã phát triển các hợp kim tương tự như GRX-810 trong quá khứ, nhưng GRX-810 là sự kết hợp đặc biệt của các nguyên tố cùng với việc sử dụng công nghệ sản xuất - in 3D - đã mang lại cho nó những đặc tính nổi bật so với các hợp kim hiện có.

CỨNG HƠN - BỀN HƠN - NÓNG HƠN

Thước đo quan trọng về độ bền của hợp kim là 'thử nghiệm độ rão'. Điều này liên quan đến việc đặt vật liệu thử nghiệm trong môi trường có nhiệt độ cao, sau đó đặt tải trọng tĩnh, trọng lượng hoặc áp suất lên vật liệu và quan sát thời gian mất để đạt đến điểm phá vỡ.

[Thử nghiệm độ rão, còn được gọi là thử nghiệm giãn ứng suất, được sử dụng để đo lường mức độ biến dạng mà vật liệu trải qua theo thời gian khi chịu tải trọng kéo hoặc nén liên tục ở nhiệt độ không đổi].

Trong quá trình nghiên cứu, Tim Smith và đồng nghiệp đã thử nghiệm GRX-810 với các hợp kim hiệu suất cao hiện có trong thử nghiệm rão được thực hiện ở nhiệt độ 1.093 độ C với tải trọng lên đến 1.360 kg trên mỗi inch vuông (2,45 cm vuông).

Kết quả: Hợp kim tốt nhất hiện có có thể chịu được khoảng 10 giờ trong thử nghiệm rão. Trong khi đó, hợp kim mới GRX-810 chịu được 6.500 giờ 'tra tấn', tương đương khoảng 9 tháng (khoảng 270 ngày) - Tim Smith cho biết.

Do đó, hợp kim GRX-810 có khả năng chịu được nhiệt độ trên 1.093 độ C, linh hoạt hơn và có thể tồn tại lâu hơn 1.000 lần so với các hợp kim hiện đại nhất hiện nay.

Với NASA, lực đẩy hạt nhân là yếu tố quan trọng trong du hành vũ trụ, và họ đã nghiên cứu việc tạo ra các hợp kim ODS từ những năm 1970 và 1980. Tuy nhiên, các công nghệ sản xuất thời điểm đó gặp nhiều thách thức cơ bản, nhưng nhờ công nghệ in 3D mà các thách thức này đã được giải quyết.

Điều mà Tim Smith và các đồng nghiệp của ông đã nhận ra là họ có thể tạo ra một loại bột kim loại từ các hạt niken, coban và crôm có đường kính chỉ từ 10 đến 45 micromet, sau đó phủ lên chúng một lớp bột oxit yttrium mịn hơn nhiều - với các hạt có đường kính khoảng 200 nanomet, và sau đó sử dụng máy in 3D.

Công nghệ in 3D sẽ phân tán đồng đều các oxit có kích thước nano trong toàn bộ hợp kim, giúp cải thiện các đặc tính nhiệt độ cao và hiệu suất lâu bền. Quy trình sản xuất này hiệu quả hơn, tiết kiệm chi phí và sạch sẽ hơn so với các phương pháp sản xuất thông thường.

Qua quá trình này, một tấm vật liệu GRX-810 có thể được tạo ra theo thời gian, hợp kim kim loại được phủ đều bởi các hạt oxit khi được kiểm tra bằng kính hiển vi điện tử quét. Cấu trúc tinh thể của hợp kim cũng khớp chặt chẽ với mô hình máy tính mà nhóm nghiên cứu đã sử dụng để xác định loại hợp kim và cấu trúc tinh thể cần thiết cho các đặc tính mà họ mong muốn đạt được, là minh chứng cho quy trình thiết kế và kỹ thuật sản xuất của họ.

NASA tin rằng vật liệu 'át chủ bài' GRX-810 có thể được in 3D trên các máy in lớn hơn để sản xuất các bộ phận có thể thay thế cho các vật liệu hiện tại trong động cơ tên lửa. Điều này đặc biệt quan trọng đối với động cơ tên lửa nhiệt hạt nhân.

Bước tiếp theo của NASA là tiếp tục nghiên cứu quy trình sản xuất GRX-810 và tìm hiểu cách mở rộng quy mô cũng như khả năng chịu đựng hơn nữa trong mức nhiệt và áp suất khắc nghiệt để có thể áp dụng trong du hành vũ trụ sớm hơn.

Chỉ trong vài năm tới, Mỹ sẽ ra mắt tên lửa vũ trụ sử dụng động cơ nhiệt hạt nhân. Hiện tại, công ty quốc phòng 'khổng lồ' Lockheed Martin đã nhận hợp đồng trị giá nửa tỷ USD từ NASA và Cơ quan Dự án Nghiên cứu Tiên tiến Quốc phòng (DARPA) của Bộ Quốc phòng để chế tạo động cơ tên lửa sử dụng lò phản ứng phân hạch hạt nhân thay vì đốt cháy hóa học để tạo ra lực đẩy.

Khi được sử dụng trong không gian, tên lửa nhiệt hạt nhân có thể hiệu quả hơn nhiều so với tên lửa hóa học và có thể cung cấp năng lượng cho các hành trình tới sao Hỏa và nhiều hơn thế nữa.