Đâu sẽ là công nghệ giúp con người du hành Hệ Mặt trời và rộng hơn, du hành ra biên giới ngoài kia của Vũ trụ?
Họ hàng nhà "tên lửa" cũng có nhiều anh em
Tên lửa đẩy rất khác so với cách mà các sự vật khác di chuyển, bởi lẽ toàn bộ hệ thống giúp cho một quả tên lửa di chuyển nằm hoàn toàn bên trong nó.
Tên lửa sử dụng năng lượng từ phản ứng hóa học đốt nhiên liệu để cung cấp nhiệt, đẩy không khí ra phía sau động cơ.
Ví dụ, một vận động viên điền kinh sử dụng chân họ đạp vào mặt đất rắn chắc để phóng lên phía trước; một chiếc xe sử dụng đường nhựa để tiến lên phía trước, thông qua lực ma sát giữa bánh xe và mặt đường.
Còn tên lửa, chúng sử dụng năng lượng từ phản ứng hóa học đốt nhiên liệu để cung cấp nhiệt, đẩy không khí ra phía sau động cơ. Một quả tên lửa chuyển động bằng cách đẩy toàn bộ khối của chúng theo hướng ngược lại, một quả tên lửa không cần dựa trên một thứ gì để đẩy vào, một hệ thống nào để kéo lên.
Tên lửa cũng không chỉ đơn giản là "đẩy" như thế, còn có rất nhiều loại tên lửa đẩy khác nữa. Loại thường thấy nhất và được biết đến rộng rãi nhất là loại tên lửa đẩy sử dụng chất đốt hóa học để tạo phản ứng đốt cháy trong ống xả, buộc khối nhiên liệu bị đẩy xuống và khiến tên lửa bay lên. Các sứ mệnh Tàu con thoi của NASA và tên lửa Saturn đều sử dụng tên lửa đẩy với hệ thống đốt cháy hóa học như vậy.
Nhưng bên cạnh tên lửa chất đốt, ta vẫn còn hai loại tên lửa nữa, đó là tên lửa nhiệt hạt nhân và tên lửa chạy điện. Tên lửa nhiệt hạt nhân, đúng với tên gọi của nó, sử dụng nhiệt từ phản ứng phân hạch hạt nhân, tác động vào nhiên liệu và tạo nên lực đẩy. Lên lửa điện cũng vậy, sử dụng năng lượng điện để tác động vào nhiên liệu đốt, đẩy chúng ra khỏi đuôi tên lửa và tạo lực đẩy.
Động cơ điện của NASA.
Trong tên lửa điện, tốc độ xả nhiên liệu đốt mạnh hơn nhiều, vì thế tên lửa điện hiệu quả hơn nhưng tuy vậy, mức độ đẩy của nó lại thấp hơn nhiều nên khó có thể áp dụng được công nghệ điện này trong các sứ mệnh bay ngoài không gian. Ta cần một thứ tên lửa điện lấp được khuyết điểm ấy.
Từ nhu cầu đó, động cơ đẩy plasma ra đời. Nó là một loại động cơ đẩy sử dụng điện, tạo ra lực đẩy từ một loại plasma gần-trung tính. Công nghệ này ngược lại với động cơ ion – một loại động cơ tạo ra lực đẩy từ việc chiết xuất dòng ion từ nguồn plasma. (Gần-trung tính – Quasi-neutral mô tả trạng thái điện tích trung tính rõ ràng của tổng thể plasma, với một quy mô nhỏ, các điện tích dương và âm tạo nên plasma sẽ có thể tạo ra những vùng điện tích và những trường điện lớn. Bởi các electron rất cơ động, plasma trở thành một vật chất dẫn điện hiệu quả, bất kì điện tích nào sinh ra đều đã nằm trong trạng thái trung tính. Và trong nhiều trường hợp, plasma có thể coi là trung tính về điện).
Động cơ đẩy plasma thường không sử dụng một mạng lưới điện áp cao hoặc cực âm/cực dương để kích thích các hạt mang điện tích nằm trong plasma, mà thường sử dụng dòng điện và điện thế được tạo ra ngay bên trong plasma để kích thích các ion plasma hoạt động.
Mặc dù cách thức này cho ta một tốc lực xả bé hơn với việc sử dụng điện áp cao, nhưng nó có những lợi ích nhất định.
Mẫu động cơ Hall 13 kW được thử nghiệm tại Trung tâm Nghiên cứu Glenn, đặt tại Cleveland.
Không có điện áp cao thì sẽ không xảy ra hiện tượng ăn mòn ion. Thứ plasma phóng ra ở phía sau tên lửa là loại plasma gần-trung tính (plasma có số lượng ion và và electron bằng nhau), cho phép sự kết hợp giữa ion và electron có thể trung hòa được cụm khí gas thải ra trong quá trình phóng, điều này khiến cho tên lửa điện không cần phải lắp thêm hệ thống súng electron (một cathode rỗng: thường là một ống thủy tinh gồm một cực dương, một cực âm và một khí đệm – thông thường là một loại khí hiểm; khi một lượng điện thế lớn chạy qua cực dương và cực âm, lượng khí đệm sẽ được ion hóa, tạo ra plasma).
Loại tên lửa đẩy này thường tạo ra plasma nguồn bằng một tần sóng radio hoặc các vi sóng qua một hệ thống ăng-ten bên ngoài. Điều này, kết hợp với việc không cần lắp cathode rỗng, sẽ khiến tên lửa điện có thể hoạt đông được bằng nhiều loại khí hiếm hơn.
Về cơ bản, động cơ plasma sẽ là một sự lựa chọn phù hợp hơn cho những sứ mệnh du hành vũ trụ giữa các hành tinh.
Động cơ VASIMR – công trình nghiên cứu kết hợp với NASA của phi hành gia 60 tuổi
Động cơ này là một hệ thống tạo lực đẩy bằng điện có nhiều ưu điểm độc nhất vô nhị. Trong động cơ VASIMR, những khí hiếm như argon, xenon hay hydro được đưa vào một ống lớn được bao bọc bởi nam châm siêu dẫn và một hệ thống bộ nối sóng vô tuyến. Những bộ nối ấy biến khí gas lạnh thành plasma cực nóng, ống xả từ tính của tên lửa sẽ biến động nhiệt plasma trở thành một dòng lực đẩy trực tiếp.
Ông Franklin Chang-Díaz và hệ thống tên lửa plasma của mình.
Mục đích chính của bộ nối tần sóng vô tuyến là chuyển khí gas thành plasma bằng cách ion hóa nó - đánh bật một electron khỏi mỗi nguyên tử khí gas. Nó được biết tới với cái tên khu vực helicon và những bộ nối helicon là một phương pháp thường được sử dụng để tạo ra plasma.
Sau khi đi qua khu vực helicon, khí gas biến thành "plasma lạnh" (gọi là lạnh nhưng thực chất, nhiệt độ của nó lớn hơn nhiệt độ bề mặt Mặt Trời). Plasma lúc ấy là một hỗn hợp của electron và ion. Những electron và ion này mang điện tích và được chứa trong một từ trường bao bọc lõi quả tên lửa khỏi thứ plasma cực nóng.
Bộ nối thứ hai thuộc khu vực ICH – khu vực đốt cháy ion được gia tốc. ICH là một kĩ thuật sử dụng để đun nóng plasma để chúng có thể đạt được nhiệt độ của lõi Mặt Trời (khoảng 10 triệu độ K). Sóng ICH đẩy vào những ion quay xung quanh từ trường, tạo ra một chuyển động đẩy và một nhiệt độ phản ứng cao hơn nữa.
Chuyển động nhiệt của ion xung quanh từ trường thường vuông góc với hướng tên lửa sẽ di chuyển, vì thế chúng phải được "bẻ hướng" để có thể tạo ra lực đẩy. Để làm được điều đó, tên lửa sử dụng ống xả từ trường để định hướng lại chuyển động quỹ đạo của ion thành một động lượng có hướng, tạo thành lực đẩy. Tốc độ của ion lúc ấy lên tới con số 180.000km/h.
Kết luận
Trong tương lai, rất có thể động cơ ion và động cơ plasma sẽ đóng một vai trò quan trọng trong các sứ mệnh du hành vũ trụ, nhưng chúng sẽ không phải là một sự thay thế hoàn toàn cho hệ thống tên lửa hiện hành cho các chuyến đi liên hành tinh.
Động cơ đẩy ion đã được sử dụng từ những năm 1950 và dần trở nên phổ biến hơn nhờ lượng lực đẩy lớn mà chúng cung cấp. Tuy nhiên, về mặt tổng thể thì lực đẩy ấy lại không đặc biệt cao.
Động cơ plasma sẽ rút ngắn được thời gian du hành vũ trụ.
Động cơ plasma cũng sử dụng ý tưởng cơ bản giống động cơ ion (tạo ra nhiều lực đẩy hơn, sử dụng ít nhiên liệu hơn nhờ việc phóng plasma với tốc lực lớn) nhưng những động cơ plasma này khả dụng hơn ở chỗ chúng có thể cung cấp lực đẩy lâu dài cho những chuyến hành trình tới những điểm đến xa xôi hơn.
Anh Hardwick cho rằng động cơ plasma sẽ rút ngắn được thời gian du hành vũ trụ, ví dụ như từ Trái Đất lên tới Sao Hỏa chẳng hạn, nhưng chỉ khi ta có thể tăng được quy mô hệ thống tên lửa này. Tên lửa plasma, để có thể hoạt động một cách hiệu quả, sẽ cần một lượng năng lượng lớn. Một hệ thống năng lượng Mặt Trời hay một lò phản ứng hạt nhân đặt trên tên lửa sẽ giải quyết được vấn đề năng lượng ấy, cho phép động cơ plasma bay được tới những chân trời xa hơn.
Tên lửa plasma có lẽ sẽ chưa thay thế được ngay hệ thống tên lửa đốt nhiên liệu hiện tại với vai trò cung cấp lực đẩy đưa tàu vũ trụ lên không, nhưng ta có thể mong chờ một hệ thống plasma được sử dụng để đưa tên lửa lướt đi trong vũ trụ.