Một phương pháp di chuyển tuyệt vời!
Các nhà vật lý học tại Pháp đã tìm ra phương pháp nhằm tối ưu hóa thế hệ cải tiến của động cơ đẩy tên lửa điện (electric rocket thruster), bằng cách sử dụng một dòng năng lượng plasma bắn ra với tốc độ 72,420 km/h, đẩy phi thuyền vũ trụ bay về phía trước.
Điều này cho phép các phi thuyền vũ trụ vận hành với một lượng nhiên liệu ít hơn 100 triệu lần so với việc sử dụng các tên lửa đẩy hóa học thông thường.
Được biết đến với tên gọi động cơ đẩy Hall, loại thiết bị này đã được áp dụng vận hành trong không gian từ năm 1971 và hiện nay đang được sử dụng thường xuyên trong các vệ tinh viễn thông và các vệ tinh thăm dò vũ trụ trong trường hợp điều chỉnh quỹ đạo bay khi cần thiết.
Động cơ đẩy Hall là một thiết bị cực kì mạnh mẽ. Và các nhà khoa học mong muốn sử dụng loại động cơ này để đưa con người đến sao Hỏa.
Tuy nhiên, vẫn còn tồn tại một vấn đề rất lớn. Hiện nay, động cơ đẩy Hall chỉ có thể được sử dụng trong vòng 10,000 giờ vận hành. Quá thời gian này, chúng không thể tiếp tục sử dụng được nữa.
Lượng thời gian ít ỏi này quá ngắn để có thể áp dụng trong bất kì sứ mệnh thám hiểm không gian nào. Chính vì thế, yêu cầu hiện nay là phải tăng thời lượng sử dụng của các động cơ đẩy Hall lên ít nhất là 50,000 giờ.
Mẫu động cơ đẩy Hall hoạt động trong phòng chân không. Nguồn: CNRS/LAPLACE and CNRS/ICARE
Động cơ đẩy Hall hay còn gọi là động cơ đẩy plasma, hoạt động tương tự như ở các động cơ đẩy ion (điện tích) thông thường. Chúng sẽ làm phá vỡ dòng điện lưu của các ion từ cực dương đến cực âm, nơi mà các ion sẽ được trung hòa điện tích bởi các chùm electron (điện tử).
Sự phá vỡ này sẽ khiến cho các electron bị bắn về một phía và đồng thời kích hoạt hệ thống tên lửa đẩy, giúp đưa toàn bộ con tàu đi về phía trước.
Tuy nhiên, sự khác biệt giữa động cơ đẩy Hall và động cơ đẩy ion, đó chính là thay vì sử dụng cực âm bằng các chất hóa học, các nhà khoa học sẽ tạo ra một vùng từ trường.
Vùng này sẽ hút vào các chùm electron và tạo thành một lỗ xoáy có những tính chất tương tự như một cực âm hoàn chỉnh (cực âm ảo). Một lượng nhỏ nhiên liệu – điển hình là khí xenon – được thêm vào các ống dẫn của động cơ đẩy nhằm tạo ra dòng điện lưu ion.
Bởi vì những ion này quá nặng nên vùng từ trường sẽ không thể hút vào nổi và vì thế các ion sẽ dịch chuyển tự do mà không bị ngăn cản. Điều này khiến chúng bị trung hòa điện tích và tạo ra một dòng plasma có áp lực thấp. Dòng plasma này sẽ chảy ngược hướng với dòng chảy của các ion.
Tuy động cơ đẩy Hall thật sự vô cùng mạnh mẽ và hiệu quả, nhưng những thành phần của nó như cực dương, cực âm ảo, và các chùm electron lại chính là nhược điểm lớn nhất.
Các bộ phận chứa các thành phần trên, được gọi là các kênh dẫn, thường bị nổ tung dưới áp lực của các dòng ion mang năng lượng cao. Chính vì thế, các kênh dẫn này luôn cần phải được thay thế hoặc sửa chữa định kì.
Các nhà khoa học đến từ Trung tâm quốc gia nghiên cứu khoa học Pháp quyết định thay thế hoàn toàn cấu trúc của các kênh dẫn. “Một cách hiệu quả để phòng tránh sự tương tác giữa dòng plasma năng lượng cao và các kênh dẫn là mang vùng ion hóa và gia tốc ion ra khỏi lỗ xoáy từ trường.
Đây chính là một thiết kế cải tiến của động cơ đẩy Hall, với tên gọi “Động cơ đẩy Hall không kênh dẫn”, theo lời của nhà khoa học dẫn đầu cuộc nghiên cứu, Julien Vaudolon.
Nguồn:Applied Physics Letters
Tuy nhiên, mẫu cải tiến của động cơ Hall (bên trái hình trên) của các nhà khoa học đã hoàn toàn bị thất bại. Cực dương màu đỏ phải được kết nối với kênh dẫn phóng khí xenon. Nếu không, các electron sẽ quá nhẹ và bị hút vào vùng từ trường, làm giảm đi hiệu suất hoạt động của thiết bị xuống nhiều lần.
Ở hình bên trái là một phiên bản đã được sửa chữa và hoạt động tốt. Thiết kế này có một thay đổi nhỏ, cực dương sẽ đủ mạnh để giữ cho vùng từ trường hoàn toàn không bị ảnh hưởng bởi các ion.
Chính vì động cơ đẩy Hall thế hệ cải tiến tiêu thụ một lượng nhiên liệu cực kì nhỏ so với động cơ hóa học thông thường, nên sẽ tạo ra thêm các khoảng trống lớn trên phi thuyền vũ trụ.
Điều này giúp phi thuyền có thể mang thêm nhiều hàng hóa và con người hơn, thực hiện các sứ mệnh thám hiểm không gian ngày càng có thời gian kéo dài và khoảng cách xa hơn. Đây chính là một loại động cơ đẩy chúng ta thật sự cần trong việc chuyên chở hàng hóa và thiết bị cũng như con người lên sao Hỏa.
Vẫn chưa có những báo cáo cụ thể về thời lượng hoạt động của động cơ đẩy Hall thế hệ mới. Tuy nhiên, các nhà khoa học tuyên bố sẽ tiếp tục cải tiến để đạt được đến mốc 50,000 giờ. Điều này sẽ tạo ra một cuộc cách mạng cho việc thám hiểm không gian trong tương lai.
