RTG tạo điện cho tàu vũ trụ từ nhiệt phân rã như thế nào?

RTG biến nhiệt từ sự phân rã tự nhiên của nhiên liệu phóng xạ thành điện qua các phần tử nhiệt điện. Thiết bị không cần phản ứng dây chuyền như lò phản ứng và không tạo điện bằng tấm pin mặt trời. Hai phần cốt lõi là nguồn nhiệt bền và bộ chuyển đổi khai thác chênh lệch nhiệt độ.

RTG là viết tắt của radioisotope thermoelectric generator. Cách gọi quen thuộc là pin hạt nhân có thể gây hiểu lầm nếu khiến người đọc nghĩ thiết bị được sạc lại như pin điện hóa. Với RTG, nhiên liệu liên tục phát nhiệt; hệ thống lấy một phần năng lượng nhiệt ấy để cung cấp điện cho tàu.

Nguồn nhiệt và bộ biến đổi là hai phần khác nhau

Bộ Năng lượng Mỹ giải thích các hệ nguồn đồng vị dùng nhiệt từ phân rã plutonium-238. Trong RTG, nhiệt đi tới một phía của phần tử nhiệt điện. Chênh lệch nhiệt độ giữa phía nóng và phía lạnh cho phép chuyển đổi một phần nhiệt thành điện.

Nguồn nhiệt không cần được đốt bằng oxy. Điều đó có ý nghĩa với môi trường không gian và những nơi nguồn sáng mặt trời không đáp ứng tốt thiết kế nhiệm vụ. Tuy nhiên, có nhiệt chưa đồng nghĩa có sẵn điện sử dụng được: vẫn cần bộ chuyển đổi, kết nối điện và quản lý nhiệt phù hợp.

DOE phân biệt RTG với RHU, tức bộ sưởi đồng vị. RHU chủ yếu cung cấp nhiệt để giữ thiết bị trong điều kiện hoạt động, còn RTG cung cấp điện và đồng thời thải nhiệt. Không nên dùng tên gọi của hai loại như thể chúng có cùng chức năng.

Hiệu ứng Seebeck tạo ra điện áp

Tài liệu của NASA về hiệu ứng Seebeck mô tả khi ghép những vật liệu dẫn thích hợp và duy trì hai đầu ở nhiệt độ khác nhau, hệ có thể tạo điện áp. Trong RTG, nhiều phần tử được kết nối để đạt đầu ra hữu ích cho thiết bị.

Vật liệu là phần quan trọng của thiết kế. Nó phải tham gia dẫn điện nhưng vẫn cho phép duy trì chênh lệch nhiệt độ cần thiết. Không thể thay bằng một thanh kim loại bất kỳ rồi chờ thu được nguồn điện tương đương một RTG dùng cho nhiệm vụ không gian.

Về mặt nguyên lý, đây là bộ biến đổi nhiệt điện trực tiếp, không phải một turbine thu nhỏ. Không có bộ phận quay trong chính cơ chế nhiệt điện là một lợi thế đối với độ tin cậy. Điều ấy không có nghĩa mọi thành phần đều không thể suy giảm hoặc hệ thống có thể vận hành vô hạn.

Phía lạnh và đường thoát nhiệt cũng quan trọng

Trang kỹ thuật RTG của NASA đặt chênh lệch nhiệt độ trong cơ chế tạo dòng điện. Vì vậy một thiết kế chỉ giữ nóng toàn bộ thiết bị mà không có đường thải nhiệt phù hợp sẽ không đáp ứng cùng mục tiêu chuyển đổi.

Có thể hình dung nguồn nhiệt là đầu vào, điện là một phần đầu ra và phần nhiệt còn lại phải đi đâu đó. Câu hỏi thiết kế không chỉ là nhiên liệu nóng đến mức nào, mà còn là nhiệt được dẫn qua bộ chuyển đổi và tỏa ra môi trường như thế nào.

Điểm này giúp tránh so sánh sai với pin điện hóa. Dung lượng năng lượng và công suất điện có thể cấp là những khái niệm khác nhau. Một nguồn phát nhiệt lâu dài không tự động cung cấp mức công suất lớn cho mọi nhu cầu sử dụng.

Thời gian dài không đồng nghĩa công suất không đổi

RTG nổi tiếng nhờ phục vụ các nhiệm vụ dài. Nhưng khi đánh giá một thiết kế, phải đọc công suất ở thời điểm nào và trong điều kiện nào. Chẳng hạn, DOE nêu mức khoảng 110 W điện cho MMRTG khi mới nạp nhiên liệu trong tài liệu năm 2021; đó không phải thông số chung của mọi RTG.

Sự phân rã làm nguồn nhiệt thay đổi theo thời gian, còn bộ chuyển đổi cũng có các giới hạn vận hành. Vì thế, người thiết kế phải lập ngân sách điện cho toàn nhiệm vụ. Không thể lấy một con số đầu đời rồi mặc định tàu luôn có lượng điện ấy sau nhiều thập kỷ.

Đây cũng là lý do một hệ nguồn phù hợp cho thiết bị khoa học từ xa chưa chắc phù hợp với ứng dụng tiêu thụ điện lớn. Độ bền và khả năng làm việc trong điều kiện khó là những tiêu chí riêng, không thay thế cho yêu cầu công suất.

An toàn nằm trong cấu trúc giữ nhiên liệu

Tổng quan công nghệ RPS của NASA mô tả nhiên liệu plutonium oxide dạng gốm, được bao bọc bằng iridium và các lớp bảo vệ gốc carbon trong module nguồn nhiệt GPHS. Các module được thử trong những điều kiện khắc nghiệt để đánh giá khả năng giữ nhiên liệu.

Cấu trúc nhiều lớp có mục đích giảm rủi ro, không phải chứng minh mọi tình huống đều vô hại. Việc đưa vật liệu phóng xạ lên tàu đòi hỏi thiết kế và đánh giá an toàn riêng. RTG là công nghệ chuyên dụng cho nhiệm vụ có nhu cầu phù hợp, không phải thiết bị cấp điện dân dụng để tự chế.

Hiểu RTG theo chuỗi nguồn nhiệt, chênh nhiệt và chuyển đổi điện giúp nhìn rõ cả ưu điểm lẫn giới hạn. Thành tựu nằm ở việc duy trì một nguồn điện đáng tin trong hoàn cảnh khó, chứ không phải một loại pin tạo năng lượng miễn phí hay không bao giờ suy giảm.

Ảnh tư liệu: RTG gắn bên trái tàu New Horizons trong giai đoạn chuẩn bị, ảnh ngày 4/11/2005; NASA, từ trang ảnh chính thức. Commons xác nhận phạm vi công cộng tại Mỹ; dùng nguyên bản cho thông tin báo chí, không hàm ý NASA bảo trợ.

Nguồn tham khảo

DOE: hệ nguồn đồng vị, 16/2/2021; NASA: hiệu ứng Seebeck, 8/8/2024; NASA: RTG; NASA: cấu trúc nguồn nhiệt. Đối chiếu ngày 26/10/2026; bài kiến thức, không phải công bố RTG mới.