Bị đốt liên tục 270 ngày ở hơn 1.000 độ C, vật liệu GRX-810 không hề hấn: Bí mật nằm ở đâu?

Trong vòng 1 tháng trở lại đây, có hai nước phương Tây tuyên bố chế tạo động cơ tên lửa nhiệt hạt nhân nhằm tạo nên đột phá trong du hành vũ trụ, rút ngắn thời gian di chuyển liên hành tinh.

Nếu Anh tuyên bố chế tạo Động cơ tên lửa truyền động nhiệt hạch trực tiếp (DFD), giúp tên lửa vũ trụ di chuyển đến tốc độ cực đại 805.000 km/giờ - thì Mỹ hứa hẹn mở ra kỷ nguyên mới cho loài người bằng hệ thống đẩy mang tên Tên lửa trình diễn cho các hoạt động Agile Cislunar (DRACO). Cả hai dự kiến 'trình làng' năm 2027.

Điểm chung của hai thế hệ động cơ tên lửa đẩy tân tiến này là sử dụng năng lượng hạt nhân để hoạt động. Lò phản ứng hợp hạch trong động cơ tên lửa của Anh có khả năng tạo ra mức nhiệt lên đến vài trăm triệu độ, tạo ra nhiệt độ nóng hơn cả lõi Mặt Trời hàng trăm lần. Trong khi đó, lò phản ứng phân hạch trong động cơ tên lửa Mỹ sẽ chuyển hydro đông lạnh thành khí nén cực nóng, đạt 2.427 độ C.

Đây là lúc vấn đề xuất hiện. 

Cả Mỹ và Anh phải giải quyết được vấn đề: Sản xuất ra vật liệu nào (của lò phản ứng) để có thể chịu được mức nhiệt cùng áp suất siêu lớn đó một cách bền bỉ?

GRX-810: KỶ NGUYÊN TRONG KHOA HỌC VẬT LIỆU

Tìm cách sản xuất các vật liệu có thể duy trì độ bền trong các điều kiện khắc nghiệt về áp suất và nhiệt độ cực cao là chìa khóa để thúc đẩy công nghệ năng lượng và động cơ vũ trụ cho cả mục đích sử dụng trên mặt đất và không gian sâu.

Các nhà nghiên cứu của NASA đã tìm ra một phương pháp mang tính cách mạng để làm việc đó. Bằng cách kết hợp các hợp kim kim loại với các hạt gốm kim loại siêu nhỏ, thêm việc sử dụng công nghệ in 3D, họ đã tạo ra một vật liệu mới mà trong một thử nghiệm đã chứng minh khả năng chịu áp lực và nhiệt cao hơn 600 lần so với các hợp kim kim loại hiệu suất cao hiện có.

Hợp kim đó có tên GRX-810.

Hợp kim GRX-810 có thể được sử dụng trong vòi phun tên lửa và thậm chí cả lò phản ứng phân hạch hoặc phản ứng hợp hạch, và hơn thế nữa, có thể mở ra một kỷ nguyên tiến bộ nhanh chóng trong khoa học vật liệu.

GRX-810 hứa hẹn mở ra kỷ nguyên trong khoa học vật liệu. Ảnh: NASA

Tim Smith, kỹ sư nghiên cứu vật liệu tại Trung tâm Nghiên cứu Glenn của NASA nói với Inverse: "Chúng tôi đã mất một thời gian để thuyết phục bản thân rằng những kết quả này là có thật. Khi đó chúng tôi hiểu rằng, chúng tôi đã tạo ra một hợp kim mới bền với cả ứng suất nhiệt cực cao, có thể đưa du hành vũ trụ hạt nhân đến gần với nhân loại hơn bao giờ hết".

GRX-810 được làm chủ yếu bằng niken, coban và crôm, nhưng nó được kết hợp với các hạt gốm kim loại có kích thước nano gọi là yttrium, tạo ra một hợp kim "tăng cường phân tán oxit" (ODS). 

Từ lâu, người ta đã biết rằng việc kết hợp các vật liệu như vậy vào hợp kim kim loại có thể tăng cường độ bền, độ dẻo và độ cứng của chúng. Thậm chí chúng còn có đặc tính chiếu xạ tốt hơn. Do đó, các ứng dụng của hợp kim GRX-810 sẽ phổ biến trong môi trường bức xạ cao, trong lò phản ứng phân/hợp hạch.

Theo Tim Smith, NASA và một số quốc gia khác đã khám phá các hợp kim tương tự như GRX-810 trong quá khứ, nhưng với GRX-810 là sự kết hợp của các nguyên tố cụ thể và việc sử dụng công nghệ sản xuất - in 3D - đã mang lại cho GRX-810 những đặc tính nổi bật như vậy so với các hợp kim hiện có.

CỨNG HƠN - BỀN HƠN - NÓNG HƠN

Thước đo chính về độ bền bỉ của hợp kim được là "thử nghiệm độ rão". Điều này liên quan đến việc đặt vật liệu thử nghiệm trong môi trường có nhiệt độ cao, sau đó đặt tải tĩnh, trọng lượng hoặc áp suất lên vật liệu và chờ xem vật liệu mất bao lâu để đạt đến điểm phá vỡ.

Lực đẩy hạt nhân là chìa khóa của du hành vũ trụ. Ảnh: Mark Ross/Scientificamerican

[Thử nghiệm độ rão, còn gọi là thử nghiệm giãn ứng suất, được sử dụng để xác định mức độ biến dạng mà vật liệu trải qua theo thời gian khi chịu tải trọng kéo hoặc nén liên tục ở nhiệt độ không đổi].

Trong nghiên cứu, Tim Smith và các đồng nghiệp đã thử nghiệm GRX-810 với các hợp kim hiệu suất cao hiện có trong thử nghiệm rão được đặt ở nhiệt độ 1.093 độ C với tải trọng lên tới 1.360 kg trên mỗi inch vuông (2,45 cm vuông). 

Kết quả: Hợp kim tốt nhất hiện có chịu được khoảng 10 giờ trong thử nghiệm rão. Còn hợp kim mới GRX-810 chịu được 6.500 giờ 'tra tấn', "tức là khoảng 9 tháng (trong khoảng 270 ngày)" - Tim Smith nói.

Như vậy, hợp kim GRX-810 có thể chịu được nhiệt độ trên 1.093 độ C, dễ uốn hơn và có thể tồn tại lâu hơn 1.000 lần so với các hợp kim hiện đại nhất hiện có. 

Với NASA, lực đẩy hạt nhân là chìa khóa của du hành vũ trụ, do đó, NASA đã nghiên cứu việc tạo ra các hợp kim ODS từ những năm 1970 và 1980, nhưng các công nghệ sản xuất thời đó đã gặp phải những thách thức cơ bản. Những thách thức đó đã được công nghệ in 3D giải quyết.

Điều mà Tim Smith và các đồng nghiệp của ông nhận ra là họ có thể tạo ra một loại bột kim loại làm từ các hạt niken, coban và crôm có đường kính chỉ từ 10 đến 45 micromet, sau đó phủ lên chúng một lớp bột oxit yttrium thậm chí còn mịn hơn - với các hạt có đường kính khoảng 200 nanomet. Rồi đưa vào máy in 3D.

Công nghệ in 3D sẽ phân tán đồng đều các oxit có kích thước nano trong toàn bộ hợp kim, giúp cải thiện các đặc tính nhiệt độ cao và hiệu suất lâu bền. Quy trình sản xuất này hiệu quả hơn, tiết kiệm chi phí và sạch hơn so với các phương pháp sản xuất thông thường.

Một bộ phận nhỏ của động cơ đốt trong in 3D được chế tạo từ GRX-810. Ảnh: NASA

Bằng cách này, một tấm vật liệu GRX-810 có thể được tạo thành theo thời gian, hợp kim kim loại được phủ đều các hạt oxit khi được kiểm tra bằng kính hiển vi điện tử quét. Cấu trúc tinh thể thu được của hợp kim cũng phù hợp chặt chẽ với mô hình máy tính mà nhóm nghiên cứu đã sử dụng để xác định loại hợp kim và cấu trúc tinh thể cần thiết cho các đặc tính mà họ hy vọng đạt được, minh chứng cho quy trình thiết kế cũng như kỹ thuật sản xuất của họ.

NASA tin rằng vật liệu 'át chủ bài' GRX-810 có thể được in 3D trên các máy lớn hơn để sản xuất các bộ phận có thể thay thế các vật liệu hiện có trong động cơ tên lửa. Đặc biệt là động cơ tên lửa nhiệt hạt nhân.

Bước tiếp theo của NASA là tiếp tục nghiên cứu quy trình sản xuất GRX-810 và tìm hiểu cách mở rộng quy mô cũng như khả năng chịu đựng hơn nữa trong mức nhiệt và áp suất khắc nghiệt để có thể đưa nó vào du hành vũ trụ càng sớm càng tốt.

Chỉ còn vài năm nữa, Mỹ sẽ 'trình làng' tên lửa vũ trụ sử dụng động cơ nhiệt hạt nhân. Hiện 'gã khổng lồ' công nghệ quốc phòng Lockheed Martin đã giành được hợp đồng trị giá nửa tỷ USD từ NASA và Cơ quan Dự án Nghiên cứu Tiên tiến Quốc phòng (DARPA) của Lầu Năm Góc để chế tạo động cơ tên lửa sử dụng lò phản ứng phân hạch hạt nhân thay vì đốt cháy hóa học để tạo ra lực đẩy. 

Được sử dụng trong không gian, tên lửa nhiệt hạt nhân có thể hiệu quả hơn nhiều so với tên lửa hóa học và có thể cung cấp năng lượng cho các hành trình nhanh hơn tới sao Hỏa và hơn thế nữa.