Động cơ vệ tinh mới có thể dùng chính bầu khí quyển Trái Đất làm nhiên liệu để bay mãi không cần tiếp dầu

Một động cơ vệ tinh sử dụng khí quyển làm nhiên liệu vừa cho thấy nhiều hứa hẹn trong các thử nghiệm phòng thí nghiệm và mô phỏng, nhưng hiệu năng thực tế trên một sứ mệnh ngoài không gian vẫn còn là ẩn số.

Cận cảnh ăng-ten lồng chim lấy cảm hứng từ máy MRI

Bài toán cân não khi chọn quỹ đạo cho vệ tinh

Việc lựa chọn quỹ đạo cho một vệ tinh luôn là sự đánh đổi giữa lợi ích và hạn chế. Quỹ đạo Trái Đất cực thấp (VLEO), nằm trong khoảng 100 đến 450 km so với mặt đất, mang lại khá nhiều ưu điểm: camera viễn thám chụp được ảnh sắc nét hơn, hệ thống liên lạc và radar tiêu thụ ít năng lượng hơn, và lực cản của khí quyển giúp các vệ tinh hết nhiệm vụ tự rơi khỏi quỹ đạo một cách tự nhiên.

Nhưng cũng chính bầu khí quyển đó lại tạo ra thách thức không nhỏ. Ngay ở độ cao này, sức cản của không khí vẫn khiến tàu vũ trụ bị hãm dần, buộc vệ tinh phải liên tục tạo lực đẩy để duy trì quỹ đạo. Các hệ thống đẩy truyền thống cần mang theo nhiên liệu, thường là những loại khí đắt đỏ như xenon.

Trong luận án tiến sĩ tại Đại học Stuttgart (công bố trên arXiv), Francesco Romano đã thử một hướng tiếp cận hoàn toàn khác. Ý tưởng của ông dùng chính các phân tử khí gây ra lực cản làm nhiên liệu cho động cơ plasma, qua đó cho phép vệ tinh ở lại VLEO vô thời hạn mà không cần mang theo nguồn nhiên liệu đẩy thông thường.

Công nghệ này thuộc nhóm được gọi là động cơ điện đẩy thở khí quyển (ABEP) — hệ thống thu gom lớp không khí cực loãng phía trước tàu vũ trụ rồi đưa vào động cơ điện, biến các phân tử khí thành plasma và phóng ra phía sau để tạo lực đẩy.

Nguyên lý cơ bản thì đơn giản, nhưng để biến nó thành một hệ thống đẩy thực tiễn lại đòi hỏi giải quyết hàng loạt bài toán kỹ thuật hóc búa.

Oxy nguyên tử — kẻ thù số một của động cơ

Vấn đề đầu tiên là oxy nguyên tử (AO). Ở tầng trên của khí quyển, bức xạ tia cực tím phân tách O2 thành dạng đơn nguyên tử có tính oxy hóa cực mạnh. AO nổi tiếng là thứ ăn mòn điện cực kim loại, lưới gia tốc, và cả các cathode dùng trong động cơ Hall tiêu chuẩn hay các loại động cơ ion khác.

Đáng lo nhất là AO phá hủy cathode trong "súng điện tử" — bộ phận trung hòa điện tích cho vệ tinh để con tàu không bị tích điện rồi hút ngược lại chính các hạt mang điện mà nó vừa phóng ra, làm vô hiệu hóa lực đẩy. Không có bộ phận này, toàn bộ hệ thống đẩy ion coi như vô dụng.

Một khó khăn nữa khi chế tạo động cơ cho VLEO là tính biến động của chính bầu khí quyển. Mật độ khí thay đổi theo chu kỳ ngày/đêm, theo vĩ độ, và cả theo hoạt động của Mặt Trời. Đảm bảo động cơ vận hành liên tục trong mọi điều kiện như vậy là bài toán chưa có lời giải thỏa đáng.

Tấm gương "hứng" không khí loãng

Để giải quyết những vấn đề trên, Romano phát triển một động cơ plasma helicon cao tần (RF) không tiếp xúc, không cần bộ trung hòa, kết hợp với hệ thống thu khí quyển được tối ưu hóa.

Ông thử nghiệm ba phiên bản thiết kế đầu thu khác nhau. Đầu tiên là thiết kế phễu tăng cường, hoạt động như một cái bẫy phân tử để giữ các hạt khí vốn phân bố quá thưa đến mức hầu như không va chạm vào nhau. Tiếp đó là đầu thu khuếch tán, dùng kết cấu lục giác nhỏ gọn chế từ hợp kim titan phủ lớp đặc biệt. Cuối cùng là đầu thu phản xạ, một gương parabol phủ graphite hoặc silicon dioxide giúp phản chiếu trực tiếp các hạt vào động cơ.

Người thắng rõ ràng ở cả hiệu suất thu gom lẫn độ nhạy với góc nghiêng là đầu thu phản xạ. Nó thu được khoảng 94,3% số hạt khí (là AO, argon hoặc nitơ trong thử nghiệm hầm gió), và hiệu suất chỉ giảm 8% khi bị nghiêng 15 độ.

Dòng plasma không cần bộ trung hòa

Để thiết kế động cơ, Romano lấy cảm hứng từ một thiết bị y tế. Sử dụng ăng-ten lồng chim (birdcage antenna) — loại ăng-ten tương tự dùng trong máy chụp MRI — ông tạo ra động cơ đảm bảo 99% công suất điện đưa vào thực sự đi vào động cơ. Đây là mức hiệu suất cực cao, vượt trội so với các cuộn dây tiêu chuẩn vốn đốt mất một phần công suất do điện kháng của chính chúng. Một cuộn solenoid quấn quanh động cơ tạo từ trường đẩy plasma ra phía sau thành dòng phun gần trung hòa — cả ion dương lẫn ion âm đều bị đẩy ra, nhờ đó không cần đến bộ trung hòa.

Thử nghiệm đã chứng minh độ tin cậy của hệ thống. Romano dùng buồng chân không để mô phỏng có chủ đích nồng độ khí quyển VLEO với ba loại khí chính mà động cơ sẽ gặp ở độ cao đó. Động cơ tạo ra dòng plasma ổn định chỉ với 50-60W công suất RF, hoàn toàn nằm trong khả năng cung cấp của các tấm pin Mặt Trời vệ tinh thông thường.

Nhiên liệu khí quyển có thể giữ vệ tinh bay mãi?

Sau khi kiểm chứng bằng thực nghiệm, ông tiến thêm một bước và áp dụng mô hình hệ thống đẩy vào các tình huống thực tế. Trong đó có vệ tinh GOCE — vệ tinh từng nổi tiếng khi phóng lên VLEO với động cơ ion xenon và cuối cùng cạn nhiên liệu.

Theo tính toán trong luận án, động cơ mới có thể hoạt động vô thời hạn trong dải độ cao 190 đến 250 km với công suất dưới 1,6 kW, vẫn nằm trong giới hạn phát điện của các tấm pin Mặt Trời vệ tinh tiêu chuẩn. Nhưng ứng dụng không chỉ giới hạn ở Trái Đất. Sao Hỏa có bầu khí quyển giàu CO2, và theo luận án, động cơ có thể duy trì một tàu vũ trụ vô thời hạn phía trên Hành tinh Đỏ ở độ cao 120-160 km — gần hơn nhiều so với các vệ tinh quỹ đạo hiện có.

Cuối cùng, không có gì đảm bảo động cơ này sẽ được ứng dụng ngoài phòng thí nghiệm. Nhưng ý tưởng này rất đáng chú ý, và có không ít ứng dụng thương mại tiềm năng nếu nó được giảm thiểu rủi ro và chứng minh hiệu quả trên một sứ mệnh thực tế.

Hiện chưa rõ liệu tiến sĩ Romano có kế hoạch theo đuổi hướng đi này hay không, nhưng những gì ông đã làm cho thấy thiết kế này có tiềm năng — biết đâu sẽ có ai đó sẵn sàng đầu tư để biến nó thành hiện thực.

Tài liệu tham khảo: "RF Helicon Plasma Thruster for an Atmosphere-Breathing Electric Propulsion System (ABEP)" của Francesco Romano, ngày 1 tháng 7 năm 2026, arXiv. DOI: 2607.02635. Chuyển thể từ bài viết gốc đăng trên UniverseToday.

Với độc giả Việt Nam quan tâm đến công nghệ vũ trụ, đây là ví dụ điển hình cho xu hướng "tự cung tự cấp" năng lượng trong không gian — hướng đi có thể giúp giảm chi phí vận hành vệ tinh viễn thông và quan sát Trái Đất, lĩnh vực mà các doanh nghiệp công nghệ trong nước đang từng bước tham gia.