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.