Tàu Voyager là ví dụ nổi bật về độ bền của RTG. Ảnh: Business Insider

Càng bay ra xa ngoài hệ Mặt Trời, pin quang điện trên tàu vũ trụ càng trở nên kém hiệu quả hơn và lưu trữ bộ pin khổng lồ trong nhiều năm là điều bất khả thi. Công nghệ giúp tàu vũ trụ bay cách Mặt Trời hàng triệu, thậm chí hàng tỷ kilomet duy trì nguồn điện là máy phát nhiệt điện đồng vị phóng xạ (RTG). Dù tên gọi của nó gợi nhắc tới nhà máy điện mini, RTG là pin hạt nhân tiết kiệm điện từng được dùng cho nhiều nhiệm vụ huyền thoại như các lần hạ cánh trên Mặt Trăng của tàu Apollo, tàu thăm dò Voyager và robot tự hành Perseverance trên sao Hỏa, theo Interesting Engineering.

RTG là một nguồn điện nhỏ tồn tại lâu dài. Thay vì phản ứng hóa học như pin lithium - ion thường ngày, RTG sản sinh điện thông qua khai thác nhiệt từ phân rã phóng xạ. Đồng vị cơ bản dùng trên tàu vũ trụ hiện đại trang bị RTG là plutonium-238 (Pu-238).

Khác với vật liệu sử dụng trong lò phản ứng hạt nhân phân hạch trên Trái Đất, Pu-238 phân rã độc lập, phát ra hạt alpha tạo ra luồng nhiệt ổn định. Đổi lại, luồng nhiệt đều đặn đó được biến đổi thành điện qua hiệu ứng Seebeck. Khi hai vật liệu dẫn điện khác nhau được nối liền với nhau, mỗi bên của mối nối đó tiếp xúc với nhiệt độ khác nhau, dòng điện sẽ hình thành tự nhiên.

RTG khai thác hiệu ứng này bằng cách giữ một bên gần plutonium đang phân rã còn bên kia chịu môi trường lạnh của không gian. Chênh lệch nhiệt độ thường lên tới cả trăm độ C, cho phép thiết bị tạo ra dòng điện ổn định đáng tin cậy, giúp tàu vũ trụ vận hành suốt nhiều thập kỷ.

Lý do pin có tuổi thọ cao

Do plutonium-238 phân rã chậm, chỉ mất một nửa số nguyên tử sau hơn 90 năm, RTG rất lý tưởng đối với nhiệm vụ kéo dài hơn tuổi thọ cả pin, pin nhiên liệu hoặc tấm quang điện thông thường. Điều này đặc biệt quan trọng khi bay ra ngoài sao Mộc, nơi ánh sáng Mặt Trời mờ nhạt đến mức năng lượng mặt trời trở nên cực kỳ kém hiệu quả.

Nguyên lý phía sau RTG bắt nguồn từ phát hiện khoa học năm 1821 khi nhà vật lý người Đức Thomas Seebeck mô tả chênh lệch nhiệt độ tạo ra dòng điện. Tuy nhiên, mãi tới thập niên 1950, các kỹ sư hạt nhân như John Birden và Ken Jordan, làm việc ở Phòng thí nghiệm Mound của Monsanto, mới biến ý tưởng thành thiết bị thực tế.

Năm 1961, Mỹ phóng RTG đầu tiên mang tên SNAP 3B vào không gian, cung cấp điện cho vệ tinh Navy Transit 4A, sử dụng 96 g Pu-238. Từ đó, nguồn điện nhỏ gọn này nhanh chóng trở thành lựa chọn của NASA cho những nhiệm vụ kéo dài trong môi trường cực hạn. RTG mau chóng xuất hiện ở nhiều địa điểm hẻo lánh trên đất liền như trạm khí tượng không người ở hay đèn hải đăng, nơi cần điện thường xuyên và hoạt động tái cung cấp là bất khả thi. Chúng thậm chí có trong ứng dụng y tế. Những tế bào Pu-238 cực nhỏ từng được dùng trong máy tạo nhịp tim chuyên dụng để đảm bảo tuổi thọ pin hàng thập kỷ.

Nhiệm vụ Apollo của NASA phóng vào thập niên 1960 và đầu thập niên 1970, sử dụng RTG để cung cấp điện cho thí nghiệm trên Mặt Trăng. Sau đó, tàu Pioneer 10 và Pioneer 11, cùng với bộ đôi tàu Voyager 1 và 2 nổi tiếng, cũng dựa vào loại pin hạt nhân này để bay qua hệ Mặt Trời và thu thập dữ liệu. Tàu Cassini quay quanh sao Thổ cũng trang bị RTG, cho phép vận hành hơn một thập kỷ trong điều kiện lạnh lẽo.

Ở thời hiện đại, robot tự hành trên sao Hỏa Curiosity và Perseverance của NASA đều chạy bằng RTG. Khác với pin quang điện sử dụng bởi Spirit và Opportunity, những robot tự hành này không cần lo ngại về bão bụi che khuất ánh sáng Mặt Trời.

Chương trình Voyager của NASA là ví dụ hoàn hảo nhất về sức mạnh của công nghệ RTG. Cả tàu Voyager 1 và 2 đều phóng trong năm 1977 vẫn hoạt động ở rìa không gian liên sao, cách Trái Đất 20 - 24 tỷ km. Dù lượng plutonium trên tàu đã phân rã một phần và nguồn điện sụt giảm từ mức 470 watt ban đầu, bộ đôi tàu thăm dò vẫn truyền dữ liệu sau hơn 4 thập kỷ.

An toàn và tranh cãi

Dù RTG không thực hiện phản ứng phân hạch hay nhiệt hạch, hệ thống vẫn sử dụng vật liệu phóng xạ. Trong trường hợp xảy ra tai nạn phóng, NASA thiết kế RTG với biện pháp kiểm soát chặt chẽ, sử dụng dạng gốm của Pu-238 dioxide và vỏ chống va chạm để giảm nguy cơ giải phóng plutonium. Trong lịch sử, chưa có nhiệm vụ nào phát tán plutonium rộng rãi ra môi trường.

Tuy nhiên, các nhà khoa học nhấn mạnh khác biệt giữa plutonium-238 sử dụng ở RTG không thể duy trì phản ứng chuỗi và plutonium-239 dùng trong đầu đạn hạt nhân. Nguồn điện ổn định lâu dài của RTG thường được xem như cứu cánh cho nhiệm vụ tới nơi xa xôi trong hệ Mặt Trời hoặc điều kiện khắc nghiệt của hành tinh. Hạn chế lớn nhất của công nghệ này là sự khan hiếm của plutonium-238, có thể rất tốn kém và mất thời gian.

An Khang (Theo Interesting Engineering)