Trung Quốc đang tận dụng năng lượng nguyên tử để thực hiện nhiệm vụ tới Sao Hải Vương

Trung Quốc cũng đang lên kế hoạch cho một chiếc tàu Neptune Explorer sử dụng năng lượng hạt nhân để khám phá hành tinh băng lớn và mặt trăng lớn nhất của nó (Triton), cùng các vệ tinh và vòng đai của hành tinh này.

Trong thập kỷ tới (2023-2032), NASA sẽ thực hiện nhiều nhiệm vụ không gian trong Hệ Mặt Trời, bao gồm việc tiến tới quỹ đạo và khám phá Thiên Vương tinh, nơi họ sẽ tìm hiểu cấu trúc bên trong, bầu khí quyển, từ quyển và vòng đai của hành tinh này. Đồng thời, họ cũng sẽ gửi tàu thăm dò tới quỹ đạo của Enceladus - vệ tinh lớn thứ sáu của Sao Thổ - và tàu đổ bộ để nghiên cứu các dòng khí hoạt động từ vùng cực nam trên Enceladus.

Không kém cạnh, Trung Quốc cũng đang lên kế hoạch chế tạo một tàu Neptune Explorer chạy bằng năng lượng hạt nhân để khám phá hành tinh băng lớn trong Hệ Mặt Trời của chúng ta (Sao Hải Vương) và mặt trăng lớn nhất của nó (Triton), cùng các vệ tinh và vòng đai của hành tinh này.

Thực tế, nhiệm vụ này là đề tài của một nghiên cứu được tiến hành bởi các nhà nghiên cứu từ Cơ quan Vũ trụ Quốc gia Trung Quốc (CNSA), Học viện Khoa học Trung Quốc (CAS), Cơ quan Năng lượng Nguyên tử Trung Quốc, Học viện Công nghệ Không gian Trung Quốc, và nhiều trường đại học và viện nghiên cứu khác. Bài báo mô tả kết quả nghiên cứu của họ (được đăng trên tạp chí Scientia Sinica Technologica) do Guobin Yu, một nhà nghiên cứu tại Trường Du hành Vũ trụ Đại học Beihang và Khoa Khoa học Công nghệ và Chất lượng thuộc CNSA, làm chủ biên.

Thực tế, các hành tinh băng lớn như Sao Hải Vương là một kho tàng tiềm năng về nghiên cứu khoa học, như các tác giả mô tả trong bài báo của họ. Ngoài cấu trúc bên trong phức tạp (bao gồm cả mưa kim cương), Sao Hải Vương còn có vai trò quan trọng trong quá trình hình thành của Hệ Mặt Trời. Sao Hải Vương cung cấp thông tin về nơi hình thành của các hành tinh (và cả quá trình di chuyển của chúng để đến vị trí hiện tại).

Cũng có những điều bí ẩn đang tiếp tục tồn tại về Triton - mặt trăng lớn nhất của Sao Hải Vương, một số nhà thiên văn nghi ngờ rằng nó đã bị văng ra từ một Hệ Mặt trời khác và sau đó bị giữ lại bởi lực hấp dẫn của Sao Hải Vương.

Sự xuất hiện của Triton cũng được cho là đã gây ra những tác động nhất định đối với các vệ tinh tự nhiên của Sao Hải Vương, khiến chúng bị vỡ ra và sau đó kết hợp lại để tạo thành các mặt trăng mới. Có giả thuyết cho rằng Triton cuối cùng sẽ vỡ ra và tạo thành một vòng đai xung quanh Sao Hải Vương hoặc va chạm với nó. Nghiên cứu về Sao Hải Vương, các vệ tinh và động lực học quỹ đạo của chúng có thể cung cấp câu trả lời về cách Hệ Mặt trời của chúng ta đã hình thành, phát triển và bắt đầu sự sống.

Tuy nhiên, do các khó khăn trong việc gửi các sứ mệnh vào không gian sâu (bao gồm cửa sổ phóng, cung cấp điện và truyền thông), cho đến nay chỉ có một sứ mệnh đã đến thăm Sao Hải Vương - tàu thăm dò Voyager 2, nó đã bay qua Sao Hải Vương vào năm 1989 và là nguồn kiến thức chính về hành tinh băng và hệ thống của nó ở thời điểm hiện tại.

Bản chất của các công cụ khoa học của Voyager 2 đã đặt ra những hạn chế về lượng dữ liệu có thể thu được. Trong những năm gần đây, NASA đã đề xuất gửi một sứ mệnh khám phá Sao Thiên Vương và Triton. Tuy nhiên, nhiệm vụ này không được ưu tiên trong thập kỷ tới và đã được chuyển giao cho Tàu quỹ đạo và Tàu thăm dò Sao Thiên Vương (UOP).

Tuy nhiên, với những cải tiến đáng kể trong các thiết bị tàu vũ trụ từ khi Sao Hải Vương được thăm lần trước, các nhà khoa học tại Trung Quốc nhận thấy rằng đã đến lúc thực hiện một nhiệm vụ mới liên quan đến Sao Hải Vương.

Khi kết hợp với dự án khám phá Sao Thiên Vương của NASA, dữ liệu thu được từ những sứ mệnh này sẽ làm cho các nhà thiên văn học và nhà khoa học hành tinh bận rộn trong nhiều thập kỷ tới và có thể tiết lộ những phát hiện đột phá về Hệ Mặt trời ngoài kia - ít nhất là về lịch sử của nó.

Thiết kế

Tất nhiên, những thách thức đã được đề cập vẫn tồn tại. Đối với vấn đề cung cấp điện, Guobin Yu và đồng nghiệp cần một nguồn cung cấp điện an toàn và đáng tin cậy trong vòng 15 năm tới. Họ kết luận rằng máy phát nhiệt điện đồng vị phóng xạ (RTG) có công suất 10 kilowatt (kWe) là lựa chọn phù hợp. Loại pin hạt nhân này hoạt động tương tự như pin mà các tàu thăm dò Curiosity và Perseverance sử dụng - chuyển đổi nhiệt năng từ sự phân hủy của chất phóng xạ thành điện năng. Như họ mô tả trong báo cáo:

'Dựa trên tiến bộ kỹ thuật trong nguồn cung cấp điện cho lò phản ứng vũ trụ ở các mức công suất khác nhau, yêu cầu về năng lượng của máy thám hiểm và động cơ điện, khả năng phóng của phương tiện và kinh phí, công suất đầu ra của nguồn cung cấp điện cho lò phản ứng vũ trụ cho nhiệm vụ thăm hiểm Sao Hải Vương được xác định là 10 kWe'.

Họ cũng đề xuất rằng hệ thống cung cấp điện sẽ sử dụng một ống dẫn nhiệt, một bộ chuyển đổi nhiệt điện và một bộ tản nhiệt như một đơn vị phát điện. Và trên tàu, họ sẽ thiết kế nhiều đơn vị phát điện như vậy, sau đó kết nối chúng song song để cung cấp năng lượng cho tàu vũ trụ.

Họ dự kiến rằng hệ thống này có thể cung cấp '8 năm hoạt động ở công suất tối đa 10 kWe và 7 năm hoạt động ở công suất thấp 2 kWe, đảm bảo hiệu quả và đáng tin cậy của hệ thống trong suốt nhiệm vụ'.

Nhóm cũng xác định một số quy trình chính cần thiết cho hoạt động an toàn và đáng tin cậy của hệ thống này. Trong đó, máy phát điện phải đảm bảo cung cấp nhiệt liên tục và kiểm soát được quá trình phân hủy hạt nhân, truyền nhiệt trong lò phản ứng, chuyển đổi nhiệt điện một cách hiệu quả và loại bỏ nhiệt thải. Để đạt được điều này, thiết kế của họ cho lò phản ứng yêu cầu các thanh uranium-235, hợp kim uranium-molypden nguyên khối và các phần tử gốm que cho phép truyền tải hiệu quả với lõi nhỏ gọn và nhẹ.

Tàu vũ trụ sẽ cũng mang theo các thiết bị để thăm dò hành tinh, hệ thống của nó và các vật thể trên đường đi. Điều này bao gồm một tàu thăm dò khí quyển sao Hải Vương (NAP) để nghiên cứu bên trong hành tinh và một tàu thăm dò thâm nhập Triton (TPP) sẽ kiểm tra lớp vỏ của mặt trăng. Một số vệ tinh nhỏ hơn (CubeSats hoặc nano) cũng sẽ được triển khai trên đường khám phá tiểu hành tinh Vành đai Chính và tiểu hành tinh Centaur.

Hồ sơ nhiệm vụ

Để bắt đầu, nhóm nghiên cứu đã phát hiện một số phương pháp khả thi để thăm dò sao Hải Vương (viễn thám, flybys, quan sát quỹ đạo, hạ cánh mềm, v.v.). Viễn thám và flybys đã bị loại trừ ngay lập tức vì chúng không cho phép sứ mệnh đo lường thành phần sâu và cấu trúc bên trong của sao Hải Vương một cách hiệu quả. Họ nói: 'Yêu cầu rất cao, và quy mô nhiệm vụ, độ khó kỹ thuật và kinh phí là cực kỳ lớn. Dựa trên các mục tiêu khoa học, trình độ kỹ thuật và quy mô kinh phí, phương pháp phát hiện được xác định là phát hiện quỹ đạo cực'.

Một cân nhắc khác là với khoảng cách liên quan (trung bình là 30 AUs từ Mặt trời) và khả năng thực hiện của một sứ mệnh tới không gian sâu, tốc độ bay của tàu thăm dò nên được tăng lên nhiều nhất có thể trong giai đoạn đầu. Họ kết luận thêm rằng cách tốt nhất để làm điều này (và giảm tốc độ để đạt được quỹ đạo quay quanh sao Hải Vương) là tiến hành một vụ phóng vào khoảng năm 2030, vì lúc này nó sẽ được hỗ trợ trọng lực bởi sao Mộc và ngày đến đích sẽ là năm 2036. Các cơ hội phóng khác bao gồm năm 2028, 2031 và 2034.

Sau khi tiến vào quỹ đạo, tàu vũ trụ sẽ phóng ra một loạt vệ tinh nhỏ và hai tàu thăm dò để khám phá bầu khí quyển của sao Hải Vương và bề mặt của Triton.

Tham khảo: Scitechdaily