Voyager 48 năm đơn độc ngoài vũ trụ | Thư Viện Thiên Văn

Xin chào tất cả các bạn! Vào năm 1964, Gary Flandro, một kỹ sư làm việc tại phòng thí nghiệm động cơ sức đẩy phản lực của NASA, đã đề cập đến khái niệm Grand Tour, một chuyến du ngoạn lớn hay một hành trình vĩ đại. Khái niệm này ám chỉ tới một sự kiện thiên văn hiếm có, đó là vào những năm thập niên 1970, bốn hành tinh lớn phía ngoài rìa hệ mặt trời sẽ lần lượt xếp thẳng hàng. Đây là một cơ hội tuyệt vời cho phép một con tàu vũ trụ di chuyển theo đường thẳng, có thể ghé thăm tất cả bốn hành tinh. Nếu để vụt mất cơ hội này, thì phải đến 175 năm sau, tức là khoảng những năm 2150, sự kiện này mới tiếp tục lặp lại. Dĩ nhiên, một sự kiện trăm năm có một như vậy, nếu không tận dụng thì quá là đáng tiếc. Đây chính là lý do mà năm 1977, NASA đã cho ra mắt liên tiếp hai sứ mệnh, đó là Voyager 1 và 2. Nhiệm vụ chính của hai tàu này là khám phá các hành tinh phía ngoài rìa hệ mặt trời, và hơn thế nữa. Tính đến hiện tại, hai sứ mệnh Voyager đã rời xa chai đất sắp chỉ 48 năm, một hành trình đáng kinh ngạc. Nó thực sự đã già đi rất nhiều, phần lớn các thiết bị đều đã dừng hoạt động. Dẫu vậy, kết nối vẫn được duy trì một cách yếu ớt, các dữ liệu vẫn được gửi về một cách nhỏ giọt. Còn các nhà khoa học tại chai đất vẫn đang loài hoài với những dữ liệu ít ở đó. Họ hy vọng biết thêm được chút ít thông tin về những bí ẩn của môi trường liên sao xa xôi, nơi mà con người chưa từng chạm tới. Theo cập nhật mới nhất, tính đến thời điểm mình làm video này, thì Voyager 1 đang cách chai đất 25 tỷ km. Vận tốc di chuyển rơi vào khoảng 61.000 km một giờ. Thời gian ánh sáng một chiều là 23h03. Tức là nếu ngay lúc này bạn đuổi theo Voyager 1 với vận tốc ánh sáng, thì phải mất gần một ngày sau bạn mới bắt kịp nó. Về phần Voyager 2, thì nó đang cách chai đất hơn 20 tỷ km. Vận tốc di chuyển là trên 55.000 km một giờ. Và thời gian ánh sáng một chiều là 19h20. So với lần gần đây nhất mình làm video về Voyager vào khoảng 4-5 năm trước, thì cả hai tàu này đã đi xa thêm được khoảng 2 tỷ km. Và điều tuyệt vời là nó vẫn đang hoạt động, chứ chưa hề biến thành một đống sắt vụn trôi lang thang vô định ngoài không gian. Vậy câu hỏi đặt ra là hai con tàu này sẽ còn hoạt động đến khi nào? Câu trả lời là có thể tương đương với thời gian của một đời người. Tất cả đều phụ thuộc vào trái tim của nó, máy phát nhiệt điện đồng vị phóng xạ Pluton-I-238. Theo như nhận định của các nhà khoa học, thì Voyager 1 có thể sẽ dừng hoạt động trước Voyager 2. Cả hai có thể tiếp tục truyền tiến hiệu về chai đất cho tới năm 2030 hoặc lâu hơn một vài năm nữa. Tuy nhiên, điều này không có nghĩa là chúng sẽ thực sự biến thành một đống sắt vụn, bởi vì trái tim của nó sẽ không ngừng đập sớm như vậy. Về mặt thiết kế, cả hai sứ mệnh đều được trang bị ba máy phát điện đồng vị phóng xạ giống như nhau. Vâng, ba máy chứ không phải một. Cụ thể, mỗi máy phát điện chứa 4,5 kg PuO2, Pluton-I oxy. Tổng mỗi sứ mệnh chứa 13,5 kg nguyên liệu phóng xạ. Trong đó, khối lượng Pluton-I chứa khoảng 80%, còn lại là oxy. Như vậy, mỗi một máy phát điện sẽ chứa khoảng 3,6 kg Pluton-I, được làm giàu với độ tinh khiết khoảng 80-90%. Trên thực tế, mức độ tinh khiết của nguyên liệu phóng xạ không được NASA công bố cụ thể, nhưng thông qua mức đánh giá về hiệu suất qua từng năm, người ta cho rằng độ tinh khiết của nó giao động trong khoảng trên dưới 85%. Vậy, điện sẽ được tạo ra như thế nào? Gần như mọi sứ mệnh vũ trụ có sử dụng máy phát nhiệt điện đồng vị phóng xạ, đều hoạt động theo cùng một nguyên lý, đó là hiệu ứng Seebeck. Theo một số ghi chép, hiệu ứng Seebeck đã được phát hiện từ năm 1774 bởi nhà khoa học người Ý Alessandro Volta. Nhưng phải đến năm 1821, hiệu ứng này mới chính thức được đặt tên khi mà nhà vật lý người Đức Thomas Johann Seebeck tìm ra nó một cách độc lập. Nguyên lý hoạt động của hiệu ứng Seebeck được bắt nguồn từ sự tranh lệch nhiệt độ giữa hai đầu vật liệu dẫn. Ví dụ, bạn có một thanh kim loại, một đầu bạn cắm nó vào băng lạnh, đầu còn lại thì nung nóng bằng nhiệt. Lúc đó, các electron bên trong thanh kim loại sẽ bắt đầu di chuyển từ đầu nóng sang đầu lạnh. Về mặt khoa học, sự di chuyển của các electron chính là dòng điện. Để làm cho quá trình này diễn ra hiệu quả hơn, các nhà khoa học thay thế thanh kim loại bằng hai thanh vật liệu dẫn rồi kết nối với nhau. Một thanh được nung nóng bằng nhiệt độ của lò phản ứng, với nhiệt độ trên dưới 1000 độ C. Còn một thanh thì được trìa ra ngoài không gian, chịu đựng cái lạnh âm 270 độ C. Trong sứ mệnh Voyager, hai thanh vật liệu dẫn được làm từ silicon germanium, công thức hóa học là SIGE. Đây là một loại vật liệu có hiệu quả chuyển đổi hiệu ứng Seebeck rất cao. Ngoài ra nó cũng rất bền bỉ khi trải qua biên độ nhiệt lớn và ít bị mai mòn bởi bức xạ của vũ trụ. Vậy, nhiệt độ trong máy phát điện được tạo ra như thế nào? Đây hoàn toàn là một quá trình tự nhiên của vật liệu phóng xạ. Cụ thể là plutonium-238 có chu kỳ bán giá là 87,75. Về bản chất, plutonium-238 là một đồng vị không ổn định. Nó sẽ tự phân giã thành urani-234 thông qua quá trình an pha. Mỗi một phản ứng phân giã sẽ tạo ra khoảng 5,59 MeV trong vô năng lượng, chủ yếu là dưới dạng nhiệt. Về phần hạt an pha, sau khi tách khỏi plutonii, nó không bị đẩy ra ngoài mà vẫn nằm lại trong vật liệu và động năng của nó cũng góp một phần nhỏ vào việc tạo ra nhiệt. Còn urani-234, nó sẽ tiếp tục trải qua nhiều quá trình phân giã khác nhau để trở thành chi sau 1,5 đến 2 triệu năm. Như vậy ta có thể tính ra, mỗi gam plutonii-238 sẽ sinh ra khoảng 0,54 W. Tổng cộng, mỗi tàu mang 10,8 kg plutonii, nó sẽ tạo ra khoảng 6,300 W. Với hiệu suất chuyển đổi khoảng 7%, thì 6,300 W sẽ tạo ra khoảng 440 W điện, cộng thêm sự đóng góp của một số hiệu ứng phụ. Tổng lượng điện ban đầu được tạo ra trên mỗi tàu theo công bố của NASA là 470 W. Mỗi năm trôi qua, lượng điện tạo ra bị sụt giảm khoảng 4 đến 5 W, tức là suýt soát 1% mỗi năm. Tính đến hiện tại, Sứ mạnh Voyager đã ra mắt được 48 năm, vậy hoàn toàn có thể tính ra lượng điện mà nó tạo ra hiện tại chỉ là từ 230 đến 240 W. Như vậy, có thể thấy, có đến 90% năng lượng nhiệt tạo ra từ lò phản ứng đã bị thất thoát vào không gian. Tại sao lại có sự lãng phí như vậy? Các nhà khoa học không có cách khắc phục nào hay sao? Về mặt lý thuyết, các nhà khoa học hoàn toàn có thể tạo ra một động cơ nhiệt với hiệu suất chuyển đổi từ 20 đến 30%. Mặc dù vậy, động cơ thì luôn phải đi kèm với các chi tiết cơ khí phức tạp. Không ai có thể đảm bảo rằng một động cơ sẽ không bị hỏng dù cho được chế tạo tỉ mỉ thế nào đi nữa. Về mặt thực tế, mình dám chắc 100% các loại động cơ cơ khí đều sẽ bị hỏng sau một thời gian sử dụng nhất định. Sẽ không có loại động cơ nào chạy đến gần 50 năm mà không hỏng nếu không được bảo dưỡng định kỳ. Mà một khi đã hỏng thì coi như toan cả sứ mệnh, bởi vì làm gì có ai bay theo mà sửa được. Chính vì lý do đó, đây thực chất là một sự đánh đổi, ưu tiên sự bền bỉ thay vì hiệu suất cao. Mà nói đến sự bền bỉ, gần như không có phương pháp nào vượt trội hơn hiệu ứng Seebeck. Nó chỉ cần một lo phản ứng sinh nhiệt và những thanh kim loại, chấm hết. Ngoài ra không có bất kỳ kết cấu cơ khí nào, không có chuyển động và cũng không cả mô men. Quay trở lại với câu hỏi về thời gian hoạt động. Liệu Voyager có thể hoạt động trong 87 năm, tương ứng với chu ký bán giã của Plutony 238 hay không? Xét cụ thể trong thực tiễn, máy phát điện của Voyager vẫn sẽ tạo ra điện khi mà thời gian bán giã 87,7 năm kết thúc. Bởi vì chu ký bán giã chỉ có thể chuyển đổi 50% nguyên liệu phóng sạng, tuy nhiên nó chỉ có thể tạo ra khoảng 40W điện. Theo tính toán, khi mà sản lượng điện của Voyager giảm xuống dưới 150-180W, nó sẽ hoàn toàn mất liên lạc do không đủ điện để chạy máy phát tiến hiệu bởi vì chỉ riêng anten đã tiêu thụ đến 60W rồi. Như vậy, trong 5-10 năm tới, Voyager có thể sẽ thực sự trở thành một vật thể vô định, mất kiểm soát, chính thức cắt đất liên lạc với nền văn minh trái đất, mãi mãi rời xa chúng ta, mãi mãi đi vào khoảng không vô định giữa các vị sao. Những gì còn sót lại về hai sứ bệnh này chỉ là những tư liệu, những thước phim, cộng thêm cả sự lãng quên và một chút hy vọng. Hy vọng có một nền văn minh nào đó sẽ vô tình tìm thấy, rồi từ bản ghi vàng mà biết đến sự tồn tại của nền văn minh trái đất. Thế nhưng cũng phải thừa nhận rằng, sắc xuất xảy ra điều đó là thấp đến không tưởng. Năm 1990, khi tàu Voyager đang di chuyển ra xa khỏi hệ mặt trời, ở khoảng cách sấp xỉ 6 tỷ km, nó đã quay ống kính về phía trái đất và chụp một bức ảnh mang tính biểu tượng Pen Blue Dot chấm xanh mờ nhạt. Đó chính là trái đất, hành tinh vĩ đại của chúng ta, ngôi nhà chung của toàn thể nhân loại, nhỏ bé, lọt thòm giữa khoảng không bao la của vũ trụ. Đây cũng là bức ảnh cuối cùng mà Voyager 1 gửi về trái đất sau khi nó nhận được lệnh tắt toàn bộ hệ thống camera để tiết kiệm năng lượng. Sẽ không lâu nữa, chúng ta cũng sẽ nhận được tiến hiệu vô tuyến cuối cùng của nó thay cho lời từ biệt. Với bản thân mình, Voyager không chỉ là một cỗ máy, không chỉ là một hiểm hy vọng, mà nó thực sự là di sản của nền văn minh.