Chất thải hạt nhân tái chế sẽ cung cấp năng lượng cho pin vũ trụ trên xe tự hành và tàu đổ bộ lên Mặt Trăng của NASA

Trong hành trình chinh phục không gian, một trong những thách thức lớn nhất của con người không chỉ nằm ở công nghệ tên lửa hay kỹ thuật hạ cánh chính xác, mà còn ở việc duy trì nguồn năng lượng ổn định và bền bỉ cho các thiết bị hoạt động trong môi trường khắc nghiệt.

NASA từ lâu đã dựa vào các hệ thống năng lượng đồng vị phóng xạ (RPS) để cung cấp điện cho tàu thăm dò, xe tự hành và tàu đổ bộ trong không gian. Tuy nhiên, nguồn nhiên liệu quen thuộc là plutonium-238 (Pu-238) đang dần khan hiếm, mở ra nhu cầu tìm kiếm một giải pháp thay thế.

Và câu trả lời bất ngờ lại đến từ chính chất thải hạt nhân, cụ thể là curium-241 (Am-241), một đồng vị từng bị coi là phế phẩm nguy hại.

Zeno Power, công ty khởi nghiệp trong lĩnh vực năng lượng hạt nhân có trụ sở tại Washington, đã bắt tay cùng tập đoàn Orano của Pháp để hiện thực hóa hướng đi mới này. Theo thỏa thuận chiến lược vừa ký kết, Orano sẽ cung cấp Am-241 từ hoạt động tái chế chất thải hạt nhân tại cơ sở La Hague, Normandy.

Zeno sẽ sử dụng nguồn nhiên liệu này để phát triển các hệ thống RPS mới, phục vụ các sứ mệnh Mặt Trăng và xa hơn nữa. Đây được coi là bước ngoặt quan trọng, vừa giải quyết vấn đề môi trường, vừa đảm bảo chuỗi cung ứng nhiên liệu ổn định cho ngành công nghiệp vũ trụ.

Curium-241: giải pháp thay thế bền vững cho Pu-238

Trong nhiều thập kỷ, Pu-238 là "xương sống" của năng lượng hạt nhân trong không gian. Loại đồng vị này đã cung cấp điện cho các sứ mệnh nổi tiếng như Voyager, Cassini, Galileo, và hiện vẫn đang vận hành tàu thám hiểm Curiosity và Perseverance trên Sao Hỏa.

Tuy nhiên, sản lượng Pu-238 trên toàn cầu cực kỳ hạn chế và chi phí sản xuất rất cao. Mỹ từng phải tái khởi động dây chuyền sản xuất Pu-238 vào đầu thập niên 2010 nhưng số lượng vẫn không đủ đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng.

Trong khi đó, Am-241 lại có những lợi thế nổi bật. Thứ nhất, chu kỳ bán rã của Am-241 kéo dài hơn 430 năm, lâu hơn nhiều so với 87,7 năm của Pu-238. Điều này đồng nghĩa với việc các hệ thống năng lượng sử dụng curium có thể hoạt động ổn định trong nhiều thập kỷ, thậm chí hàng thế kỷ - lý tưởng cho các sứ mệnh thám hiểm liên hành tinh, nơi khoảng cách và thời gian di chuyển khổng lồ đòi hỏi sự bền bỉ tuyệt đối.

Thứ hai, Am-241 là sản phẩm tự nhiên của quá trình phân rã trong chất thải hạt nhân đã qua sử dụng. Điều này có nghĩa là thay vì phải chi hàng tỷ USD để sản xuất từ đầu, các nhà khoa học có thể thu hồi trực tiếp từ hoạt động tái chế. Đây là cách tiếp cận bền vững, vừa giảm thiểu chất thải phóng xạ tồn đọng, vừa biến nó thành tài nguyên giá trị.

Thứ ba, Am-241 có tiềm năng giúp giảm sự phụ thuộc gần như tuyệt đối vào Pu-238, vốn đang trở thành "nút thắt cổ chai" cho tham vọng không gian. Việc đa dạng hóa nguồn nhiên liệu sẽ giúp NASA và các cơ quan vũ trụ khác linh hoạt hơn trong việc thiết kế, triển khai các sứ mệnh trong tương lai.

Vai trò thiết yếu trong các sứ mệnh Mặt Trăng

Chương trình Artemis của NASA đặt mục tiêu đưa con người trở lại Mặt Trăng và xây dựng sự hiện diện lâu dài tại đây, như một bàn đạp để tiến tới Sao Hỏa. Tuy nhiên, bề mặt Mặt Trăng không hề hiếu khách.

Một đêm trên Mặt Trăng kéo dài khoảng 14 ngày Trái Đất, nhiệt độ có thể giảm xuống âm 170°C. Trong điều kiện đó, các tấm pin Mặt Trời không thể hoạt động, pin truyền thống cũng nhanh chóng cạn kiệt.

RPS sử dụng Am-241 chính là giải pháp. Nguồn năng lượng hạt nhân này có thể duy trì nhiệt và điện trong suốt đêm dài, giúp xe tự hành, tàu đổ bộ hay các trạm nghiên cứu không bị "chết đứng" vì lạnh.

Không chỉ vậy, chúng còn đặc biệt hữu ích ở những khu vực luôn trong bóng tối, chẳng hạn các hố sâu ở cực nam Mặt Trăng - nơi được cho là có trữ lượng băng nước khổng lồ. Khai thác băng ở đây chính là chìa khóa để tạo nhiên liệu cho tên lửa và nước uống cho phi hành gia, nhưng điều đó chỉ khả thi nếu có nguồn năng lượng ổn định để vận hành thiết bị.

Đặt nền móng cho thám hiểm liên hành tinh

Nếu như Mặt Trăng là bước thử nghiệm, thì Sao Hỏa và xa hơn nữa mới là mục tiêu dài hạn. Khoảng cách từ Trái Đất đến Sao Hỏa dao động từ 55 đến hơn 400 triệu km, nghĩa là một sứ mệnh có thể kéo dài hàng năm, thậm chí hàng thập kỷ. Trong những hành trình như vậy, độ tin cậy và tuổi thọ dài của Am-241 sẽ phát huy tối đa.

Không chỉ cung cấp năng lượng cho thiết bị thám hiểm, Am-241 còn có thể mở đường cho công nghệ đẩy hạt nhân, giúp rút ngắn thời gian di chuyển giữa các hành tinh. Với khả năng cung cấp điện trong nhiều thế kỷ, loại đồng vị này đủ sức hỗ trợ các sứ mệnh dài hạn, nơi khoảng cách xa khiến việc tiếp nhiên liệu hay bảo trì gần như bất khả thi.

Từ chất thải thành tài nguyên chiến lược

Điểm đáng chú ý nhất trong thỏa thuận Zeno - Orano không chỉ nằm ở khía cạnh công nghệ, mà còn là minh chứng rõ nét cho mô hình kinh tế tuần hoàn. Thay vì coi chất thải hạt nhân là gánh nặng, các nhà khoa học đang khai thác giá trị tiềm ẩn của nó. Bằng cách tái chế, Am-241 được thu hồi để phục vụ những mục đích cao cả: khám phá vũ trụ, mở rộng tầm nhìn của nhân loại và thúc đẩy công nghệ năng lượng sạch.

Corinna Spilios, Phó Chủ tịch phụ trách tái chế của Orano, khẳng định: " Việc thu hồi curium-241 cho thấy tái chế chất thải hạt nhân không chỉ giúp bảo vệ môi trường mà còn mở ra những ứng dụng tiên tiến. Đây là minh chứng cho việc biến những gì từng bị coi là bỏ đi thành nền tảng cho bước tiến công nghệ của loài người".

Với sự hợp tác giữa Zeno và Orano, NASA có thêm lựa chọn chiến lược để bảo đảm nguồn năng lượng ổn định cho các sứ mệnh sắp tới. Nếu thành công, Am-241 sẽ trở thành nhân tố chủ chốt trong việc biến những giấc mơ viễn tưởng như căn cứ thường trú trên Mặt Trăng hay các chuyến thám hiểm Sao Hỏa  thành hiện thực.