Lò phản ứng thu nhỏ - giải pháp cung cấp năng lượng cho các căn cứ Mặt Trăng

Giống như nhiều bộ phim khoa học viễn tưởng khác, bộ phim truyền hình Space 1999 khởi chiếu vào những năm 1970 đã gây tiếng vang lớn. Bộ phim kể về vụ nổ hạt nhân xé Mặt Trăng ra khỏi quỹ đạo Trái Đất và đưa căn cứ Mặt Trăng Alpha cùng các nhà khoa học hoạt động trên căn cứ này vào một cuộc phiêu lưu thú vị xuyên không gian sâu thẳm.

Chắc hẳn, bộ phim này đã để lại ấn tượng với Elon Musk thời trẻ. Năm 2017, khi hình dung kế hoạch của SpaceX về căn cứ Mặt Trăng trong tương lai, ông Musk đã đặt tên cho căn cứ này là Alpha. Hiện nay, SpaceX đang hợp tác với Cơ quan Hàng không và Vũ trụ Mỹ (NASA) để đưa loài người trở lại bề mặt Mặt Trăng như một phần trong chương trình Artemis.

NASA và Bộ Ngoại giao Mỹ đã ban hành các hướng dẫn tổng hợp để khám phá Mặt Trăng một cách hòa bình dưới hình thức Hiệp định Artemis. Cho đến nay đã có 36 quốc gia – bao gồm Ấn Độ, Nhật Bản, Anh, Canada, Australia, Các Tiểu vương quốc Arab Thống nhất và Hàn Quốc – đã tham gia.

Trung Quốc cũng đang dẫn đầu trong cuộc đua xây dựng căn cứ trên Mặt Trăng. Trong đó, trạm Nghiên cứu Mặt Trăng Quốc tế, được thành lập vào năm 2021, hiện có Nga, Belarus, Pakistan, Azerbaijan, Venezuela, Ai Cập và Nam Phi cùng hợp tác.

Giới quan sát nhận định rằng dù liên minh nào xây dựng căn cứ đầu tiên trên Mặt Trăng cũng cần một nguồn năng lượng đáng tin cậy. Trên khắp thế giới, nhiều công ty và cơ quan vũ trụ cũng đều có kết luận tương tự.

Ông Simon Middleburgh tại khoa Tương lai Hạt nhân thuộc Đại học Bangor ở Wales nhấn mạnh: “Sự thật, hạt nhân là lựa chọn duy nhất để cung cấp năng lượng cho căn cứ Mặt Trăng”.

Một ngày trên Mặt Trăng không phải là 24 giờ như trên Trái Đất mà kéo dài một tháng, chính xác là 29,5 ngày. Thực tế, có hai tuần ánh sáng ban ngày, sau đó là hai tuần tối tăm, với nhiệt độ lên tới -130 độ C.

Đây là lý do các sứ mệnh Apollo từ năm 1969 đến năm 1972 đều diễn ra vào ngày trăng và gần xích đạo của Mặt Trăng, khi nhiệt độ có thể kiểm soát và ánh sáng Mặt Trời kéo dài có thể cung cấp năng lượng cho các thiết bị khoa học và tàu thăm dò.

Tại Cực Nam của Mặt Trăng, nơi có nhiều tiềm năng đặt căn cứ nhất, một số vị trí nhất định được Mặt Trời chiếu sáng trong hơn 80% thời gian. Nhưng nhiệt độ có thể giảm hơn nữa ở những miệng hố bị che khuất vĩnh viễn, nơi có thể tìm thấy nước đóng băng. Lượng nước này cần thiết không chỉ để giúp các phi hành gia sống sót mà còn để sản xuất nhiên liệu vì không có khí đốt hoặc dầu trên Mặt Trăng.

“Hạt nhân là điều đáng quan tâm duy nhất trên Mặt Trăng. Chúng ta không thể mang nhiên liệu lên đó được. Các tấm pin Mặt Trời sẽ không hoạt động. Máy phát điện diesel sẽ không hoạt động và máy phát nhiệt vô tuyến kiểu cũ cũng không đủ lớn để tạo ra năng lượng”, ông Middleburgh nói.

Năm 1969, máy phát nhiệt đồng vị phóng xạ đầu tiên được sử dụng trên Mặt Trăng trên tàu Apollo 11, sử dụng nhiệt sinh ra từ sự phân rã của chất phóng xạ plutoni-238 để giữ cho các thiết bị khoa học ở nhiệt độ có thể hoạt động. Trên tàu Apollo 12, lượng nhiệt này được chuyển thành điện năng để cung cấp năng lượng cho một gói thiết bị, đánh dấu việc sử dụng lò phản ứng hạt nhân đầu tiên trên Mặt Trăng, mặc dù không ở quy mô trên Trái đất. Máy phát điện hình trụ này có kích thước chỉ 45,7 x 40,6cm.

Một lò phản ứng hạt nhân vi mô sẽ phải đủ nhẹ và chắc chắn để di chuyển 384.400 km và sau đó được lắp đặt để sử dụng trong những điều kiện vô cùng kỳ khắc nghiệt trên bề mặt Mặt Trăng - bao gồm bụi mịn xâm nhập hoặc lớp đất đá bao phủ.

Năm 2022, NASA đã ký hợp đồng với Lockheed Martin, Westinghouse và IX, hợp tác với Intuitive Machines và X-Energy để phát triển lò phản ứng hạt nhân trên Mặt Trăng.

Giai đoạn đầu tiên đã hoàn thành hồi tháng 2, với việc trình bày các thiết kế cho một lò phản ứng có thể duy trì căn cứ Mặt Trăng trong ít nhất một thập kỷ.

Ông Shatel Bhakta, trưởng nhóm kiến trúc Mặt Trăng tại Trung tâm Vũ trụ Johnson của NASA, cho biết: “Chúng tôi tự tin vì đã sử dụng công nghệ hạt nhân trong các sứ mệnh không gian trước đây như Pioneer, Voyager và Cassini, nơi các hệ thống này vượt xa tuổi thọ thiết kế ban đầu của chúng”.

Theo ông, môi trường khắc nghiệt, mong muốn giảm thiểu khối lượng và thể tích, độ tin cậy cao và đảm bảo nguồn điện liên tục để giữ an toàn cho phi hành đoàn, là một số yếu tố được đưa vào thiết kế lò phản ứng trên bề mặt Mặt Trăng. Ngoài ra, do khoảng cách từ Trái Đất quá xa và sự chậm trễ trong liên lạc, hệ thống phải được thiết kế tự động, với sự can thiệp tối thiểu của con người.

Trong khi đó, hồi tháng 3, Cơ quan vũ trụ Roscosmos của Nga tuyên bố sẽ xây dựng lò phản ứng hạt nhân trên Mặt Trăng với Cơ quan quản lý vũ trụ quốc gia Trung Quốc vào năm 2035 để cung cấp năng lượng cho căn cứ chung trên Mặt Trăng.

Ông Yury Borisov, Tổng giám đốc Roscosmos, nói với truyền thông nhà nước Nga rằng căn cứ này sẽ được xây dựng “mà không có sự hiện diện của con người”.

Cơ quan Vũ trụ Vương quốc Anh cũng đã công bố khoản tài trợ mới trị giá 3,6 triệu USD cho việc thiết kế lò phản ứng hạt nhân mô-đun Mặt Trăng. Trong hơn 60 năm, Rolls-Royce đã âm thầm thiết kế, sản xuất và hỗ trợ tất cả các lò phản ứng hạt nhân cho các tàu ngầm của Hải quân Hoàng gia Anh.

Ông Jake Thompson, kỹ sư trưởng phụ trách chương trình Hạt nhân Mới của Rolls-Royce, cho biết: “Chúng tôi có truyền thống lâu đời về việc cung cấp các lò phản ứng hạt nhân rất nhỏ gọn. Vì vậy, chúng tôi đang đưa khả năng đó vào các lĩnh vực mới thực sự thú vị này như thám hiểm không gian”.

Chương trình lò phản ứng vi mô Rolls Royce đang trong giai đoạn phát triển ý tưởng. Thử nghiệm này đang được thực hiện trên các thành phần nguyên mẫu và mục đích là có một mô hình sẵn sàng được đưa trên Mặt Trăng vào năm 2029.

“Đây là những hệ thống lò phản ứng dựa trên phân hạch nên chúng sẽ sử dụng dạng urani có độ giàu thấp. Chúng tôi đã có một ý tưởng khá hay về việc những hệ thống này sẽ trông như thế nào và – đặc biệt đối với không gian – chúng sẽ nặng bao nhiêu. Mỗi lò phản ứng siêu nhỏ Rolls Royce sẽ tạo ra công suất 50-100 kW và hoạt động trong ít nhất một thập kỷ”, ông Thompson nói.

Ông cho biết điều đó phụ thuộc vào nhu cầu về kiến trúc và cơ sở hạ tầng trên bề mặt Mặt Trăng, nhưng dự tính có một lưới điện siêu nhỏ với một vài lò phản ứng được bổ sung năng lượng Mặt Trời ở Nam Cực.

Theo ông, lò phản ứng vi mô sẽ có kích thước gần bằng một chiếc ô tô gia đình và nặng vài tấn. Đối với một lò phản ứng hạt nhân, kích thước này là vô cùng nhỏ. Song với một hệ thống không gian, chúng vẫn còn tương đối lớn. Lò phản ứng thu nhỏ là điều mà nhiều tổ chức coi là “chìa khóa” cho một thiết kế thành công, bao gồm cả Viện Tương lai Hạt nhân, đang hợp tác trong dự án Rolls-Royce.

Ông cho biết: “Chúng tôi sẽ chỉ triển khai một hệ thống khi hệ thống đó an toàn ở mọi khía cạnh, bao gồm cả việc phóng và lò phản ứng chỉ được thiết kế bật khi nó thực sự chạm tới bề mặt Mặt Trăng. Trước khi lò phản ứng được bật, nhiên liệu hạt nhân bên trong sẽ ở trạng thái trơ. Nó hoàn toàn an toàn khi cầm và chạm vào và không có tính phóng xạ cho đến khi lò phản ứng đó được bật”.

Là một phần của quá trình thiết kế, các kỹ sư cũng đang xem xét các quy trình cuối vòng đời của các lò phản ứng vi mô này.

Ông Bhakta cho biết: “Khi sứ mệnh lò phản ứng Mặt Trăng của chúng tôi hoàn thành, chúng tôi sẽ tắt nó và mức độ phóng xạ sẽ giảm dần để có thể tiếp cận và chuyển nó một cách an toàn đến địa điểm lưu trữ lâu dài nếu muốn”.

Nguồn tài trợ và thời gian để hoàn thiện những công nghệ này là cần thiết, nhưng ứng dụng của thiết kế lò phản ứng vi mô trên Mặt Trăng có thể mở rộng đến Trái Đất - từ các module năng lượng linh hoạt, có thể nhỏ hơn nhiều so với các nhà máy điện hiện có, cho đến y học hạt nhân.

Ông Middleburgh, rất lạc quan về công nghệ trong không gian và trên Trái Đất, cho rằng loài người đã có rất nhiều thời kỳ phục hưng hạt nhân nhưng cần có cơ hội để chứng minh rằng hạt nhân là an toàn và không có carbon tại thời điểm cung cấp.

“Các ứng dụng này thật đáng kinh ngạc nếu chúng ta có thể cho mọi người thấy rằng hạt nhân có thể được cung cấp đúng thời hạn, phù hợp với ngân sách và làm được những điều hữu ích thú vị – những điều sẽ cứu thế giới”, ông nói.