Kỷ nguyên công nghiệp tinh tế.
Chương 417: Hai bài toán khó trong phản ứng nhiệt hạch có kiểm soát.
Việc hiện thực hóa phản ứng nhiệt hạch có kiểm soát tồn tại hai thách thức lớn: Thứ nhất là làm thế nào để gia nhiệt vật liệu phản ứng nhiệt hạch lên đến nhiệt độ đủ cao. Phản ứng nhiệt hạch yêu cầu mức nhiệt độ cực đoan lên tới hàng trăm triệu độ. Hiện nay, các nhà khoa học đã giải quyết được vấn đề này bằng cách sử dụng các chùm laser hội tụ để tạo ra mức nhiệt độ hàng trăm triệu độ.
Việc sử dụng laser để kích nổ nghe có vẻ đơn giản, nhưng thực tế lại vô cùng phức tạp. Nguyên nhân là vì cần phải đảm bảo trong khoảng thời gian gia nhiệt cực ngắn, vật thể bị nung nóng phải nhận nhiệt đồng đều từ mọi hướng, co rút hướng tâm một cách đồng nhất. Có thể hiểu đơn giản như sau: Hãy tưởng tượng vật chất cần nung nóng là một quả bóng đá, nếu muốn nén không khí bên trong quả bóng, phương pháp tối ưu là tác động lực từ bốn phương tám hướng để thể tích của nó co lại. Nếu chỉ tác động lực từ hai phía, quả bóng sẽ bị biến dạng, hiệu quả nén không khí bên trong sẽ giảm đi đáng kể.
Điều này không chỉ yêu cầu hệ thống phát laser phải kiểm soát hướng bắn cực kỳ chính xác, mà còn đòi hỏi năng lượng của mỗi tia laser phải được điều chỉnh nghiêm ngặt trong một khoảng thời gian cực ngắn. Hiện tại, tiến độ nghiên cứu của "Sơn mỗ đại thúc" trong lĩnh vực này là nhanh nhất. "Cơ sở kích nổ quốc gia" của ông hiện có thể hội tụ 192 tia laser vào cùng một điểm.
Phòng thí nghiệm phản ứng nhiệt hạch trên mặt trăng của tập đoàn Ngân Hà Khoa Học Kỹ Thuật cũng áp dụng nguyên lý tương tự. Tham chiếu theo thiết kế của "Cơ sở kích nổ quốc gia", họ đã xây dựng hệ thống có khả năng hội tụ 365 tia laser vào cùng một điểm, tạo ra mức nhiệt độ hàng trăm triệu độ trong tích tắc, đủ để kích hoạt vật liệu phản ứng nhiệt hạch.
Hơn nữa, so với "Cơ sở kích nổ quốc gia" cần vài giờ mới có thể thực hiện một lần thí nghiệm kích nổ, thiết bị của Ngân Hà Khoa Học Kỹ Thuật có thể đạt tần suất 10 lần kích nổ mỗi giây, giải phóng 10 xung năng lượng.
Thiết bị kích nổ này trước hết khuếch đại cường độ laser ban đầu lên 10.000 lần, sau đó phân tách một chùm laser thành 2, rồi từ 2 thành 4, cứ thế từng bước phân tách cho đến khi tạo ra 365 chùm tia. Trong quá trình phân tách, các chùm tia liên tục được khuếch đại, tổng năng lượng tăng lên gấp 5.000 nghìn tỷ lần so với ban đầu. Cuối cùng, chúng hội tụ vào một viên nhiên liệu phản ứng nhiệt hạch Deuteri-Triti có đường kính 3mm, tạo ra mức nhiệt độ vượt ngưỡng 100 triệu độ, đủ để dẫn phát phản ứng nhiệt hạch.
Có lẽ sẽ có người hỏi: Cần một nguồn năng lượng khổng lồ đến mức nào mới có thể kích nổ được nó?
Photon laser có tính định hướng, không giống các nguồn sáng thông thường có photon phát tán. Ánh sáng mặt trời chiếu trên mặt đất sẽ không đốt cháy tờ giấy, nhưng nếu hội tụ ánh sáng vào một điểm thì có thể làm cháy nó, nguyên lý của laser cũng tương tự.
Laser là sự tập trung năng lượng ở mật độ cao, nhưng tổng năng lượng ẩn chứa bên trong không nhất định phải quá lớn, mức tiêu thụ năng lượng cũng không đến mức khủng khiếp.
Tuy nhiên, giải quyết được vấn đề này mới chỉ là bước đầu, quá trình tiến tới phản ứng nhiệt hạch có kiểm soát vẫn còn rất dài. Bởi lẽ nhiệt độ khi phản ứng nhiệt hạch diễn ra là cực kỳ cao, hàng trăm triệu độ, tương đương với nhiệt độ lõi mặt trời. Vậy chúng ta dùng vật liệu gì để chế tạo lò phản ứng nhiệt hạch đây?
Phải biết rằng, vật liệu chịu nhiệt tốt nhất mà các nhà khoa học hiện nay chế tạo ra là hợp chất Tantalum Hafnium Carbide (Ta4HfC5), với điểm nóng chảy cao nhất cũng chỉ đạt hơn 4.200 độ. So với mức nhiệt hàng trăm triệu độ, con số này hoàn toàn không đáng kể.
Vật liệu chịu nhiệt tốt nhất dưới mức nhiệt độ cực đoan như vậy cũng sẽ trực tiếp bị hóa hơi, trở thành trạng thái plasma cơ bản nhất. Vấn đề về lò phản ứng nhiệt hạch này mới chính là bài toán khó thực sự đang làm đau đầu các nhà khoa học.
Kỹ thuật phản ứng nhiệt hạch có kiểm soát khác với kỹ thuật bom khinh khí. Bom khinh khí chỉ cần phá hủy, chỉ cần có kíp nổ nguyên tử là đủ, càng uy lực càng tốt.
Nhưng với phản ứng nhiệt hạch có kiểm soát, để điều khiển được phản ứng và khống chế nguồn năng lượng khổng lồ này, các nhà khoa học buộc phải tìm cách giải quyết vấn đề nhiệt độ khủng khiếp đó.
Trước khi giải quyết vấn đề, trước tiên cần phải hiểu rõ các phương thức truyền nhiệt: dẫn nhiệt, bức xạ nhiệt và đối lưu nhiệt.
Dẫn nhiệt là hiện tượng truyền nhiệt trong môi trường không có chuyển động vĩ mô, xảy ra ở cả chất rắn, chất lỏng và chất khí. Tuy nhiên, nói một cách nghiêm ngặt, chỉ trong chất rắn mới là dẫn nhiệt thuần túy. Còn trong chất lưu, ngay cả khi ở trạng thái tĩnh, do sự chênh lệch mật độ gây ra bởi thang độ nhiệt độ nên sẽ sinh ra đối lưu tự nhiên. Do đó, trong chất lưu, đối lưu nhiệt và dẫn nhiệt thường xảy ra đồng thời.
Bức xạ nhiệt là hiện tượng vật thể phát ra sóng điện từ do có nhiệt độ. Tất cả các vật thể có nhiệt độ cao hơn độ không tuyệt đối đều có thể sinh ra bức xạ nhiệt. Nhiệt độ càng cao, tổng năng lượng bức xạ càng lớn và thành phần sóng ngắn càng nhiều.
Bức xạ nhiệt có phổ liên tục, bước sóng bao trùm phạm vi lý thuyết từ 0 đến vô cùng. Bức xạ nhiệt chủ yếu truyền đi dưới dạng ánh sáng khả kiến và tia hồng ngoại. Do sóng điện từ không cần môi trường truyền dẫn, nên bức xạ nhiệt là phương thức truyền nhiệt duy nhất trong môi trường chân không.
Nhiệt đối lưu, hay còn gọi là đối lưu truyền nhiệt, là quá trình truyền nhiệt xảy ra do sự dịch chuyển tương đối của các phần tử trong chất lưu. Nhiệt đối lưu chỉ xảy ra bên trong chất lưu.
Nắm vững ba phương thức truyền nhiệt này, các nhà khoa học đã phác thảo ra nhiều phương pháp để khống chế mức nhiệt độ cực cao lên đến hàng trăm triệu độ.
Hiện nay, các nhà khoa học trên Trái Đất đã đề xuất nhiều phương pháp kiểm soát phản ứng nhiệt hạch, bao gồm: kiểm soát bằng sóng siêu âm, kiểm soát bằng laser, kiểm soát bằng quán tính, kiểm soát bằng từ trường, v.v.
Trong đó, phương pháp có tính khả thi cao nhất là "kiểm soát bằng từ trường". Việc nghiên cứu chế tạo thiết bị "Siêu dẫn Tokamak" chính là để hiện thực hóa khả năng lưu trữ vật chất ở nhiệt độ hàng trăm triệu độ. Nguyên lý cụ thể rất đơn giản, tương tự như kiến thức trong sách giáo khoa vật lý phổ thông: thông qua việc dùng từ trường khống chế vật chất trong một vòng kín, khiến chúng xoay tròn tốc độ cao để cố định trong một không gian khép kín, từ đó thực hiện việc chứa đựng gián tiếp.
Dù có vẻ như hai rào cản lớn trong phản ứng nhiệt hạch đã được người Trái Đất giải quyết, nhưng hiện tại vẫn tồn tại một vấn đề nghiêm trọng hơn: hai phương án giải quyết cho hai thách thức này hoàn toàn không thể kết hợp với nhau.
Với trình độ hiện tại của Trái Đất, chúng ta chỉ có thể kích hoạt nhiên liệu nhiệt hạch hoặc sử dụng "Siêu dẫn Tokamak" để chứa đựng chúng. Tuy nhiên, việc tập trung hàng trăm tia laser vào một điểm nhỏ như vậy là cực kỳ khó khăn.
Phản ứng nhiệt hạch yêu cầu vật chất phải ở trạng thái tĩnh tại vị trí mục tiêu để chờ gia nhiệt và kích hoạt. Trong khi đó, thiết bị Siêu dẫn Tokamak lại thuộc quy trình kiểm soát từ trường; nếu vật chất nhiệt hạch đứng yên, nó sẽ không thể chịu tác động của lực Lorentz trong từ trường để bị giam giữ trong không gian kín được chỉ định.
Vì vậy, dù các nhà khoa học trên Trái Đất đã giải quyết được hai nan đề lớn, họ vẫn chưa thể thực hiện phản ứng nhiệt hạch có kiểm soát. Hai phương án này chỉ có ưu thế vượt trội khi giải quyết một vấn đề đơn lẻ, chứ không thể giải quyết vấn đề còn lại.
Tần Nghị nhìn thiết bị đốt nóng khổng lồ và phức tạp trước mắt, trong đầu suy nghĩ rất nhiều. Trong Tháp Khoa học Kỹ thuật có rất nhiều phương pháp thực hiện phản ứng nhiệt hạch.
Chẳng hạn như phương pháp kiểm soát không gian, phương pháp làm lạnh, phương pháp kiểm soát trọng lực, v.v. Phương pháp kiểm soát không gian liên quan đến công nghệ không gian. Vì bức xạ nhiệt là phương thức truyền nhiệt duy nhất trong chân không, nên việc tận dụng công nghệ không gian có thể dễ dàng khống chế mức nhiệt độ hàng trăm triệu độ.
Về phần phương pháp làm lạnh, đó chính là kỹ thuật phản ứng nhiệt hạch lạnh. Kỹ thuật này cao cấp hơn hẳn so với kỹ thuật phản ứng nhiệt hạch nhiệt, hiện tại vẫn còn quá xa vời.
Phương pháp kiểm soát trọng lực là đưa nhiên liệu nhiệt hạch vào một không gian hình cầu, sau đó tác động lực hấp dẫn cực mạnh lên không gian đó. Dựa vào lực hấp dẫn cường độ cao để giam giữ năng lượng hàng trăm triệu độ bên trong, đồng thời có thể dẫn hướng năng lượng theo nhu cầu để sử dụng cho nhiều mục đích khác nhau.
Đối với trình độ khoa học kỹ thuật của Ngân Hà hiện nay, phương pháp kiểm soát trọng lực là khả thi nhất và gần tầm tay nhất. Vì đã nắm vững và tận dụng được công nghệ phản trọng lực, việc nghiên cứu ra công nghệ trọng lực là điều hoàn toàn có thể thực hiện.
Hơn nữa, công nghệ trọng lực cực kỳ quan trọng. Nó không chỉ dùng để kiểm soát phản ứng nhiệt hạch mà còn có thể dùng để tạo ra trọng lực cho tàu vũ trụ, bởi vì trong vũ trụ không hề có trọng lực.
Con người nếu sống lâu trong môi trường không trọng lực, xương cốt sẽ dần mất đi canxi. Sau khi trở về Trái Đất, họ rất có khả năng sẽ bị liệt và trở thành phế nhân.
Vũ trụ quá bao la và rộng lớn. Ngay cả hệ sao gần Trái Đất nhất là Alpha Centauri cũng cách xa 4,3 năm ánh sáng. Với khoảng cách xa xôi như vậy, thời gian di chuyển trong vũ trụ sẽ vô cùng dài lâu.
Do đó, tàu vũ trụ và chiến hạm dùng để du hành liên sao cần phải có thiết bị tạo trọng lực, giúp phi hành đoàn có thể sinh hoạt trong môi trường có trọng lực, mô phỏng lại môi trường trên Trái Đất nhiều nhất có thể để giảm thiểu các vấn đề phát sinh.
Hiện tại, việc nghiên cứu kỹ thuật phản ứng nhiệt hạch cũng cần đến kỹ thuật trọng lực, có thể nói là một mũi tên trúng nhiều đích.
Nếu có thể nghiên cứu thành công kỹ thuật trọng lực, tàu vũ trụ và chiến hạm liên sao trong tương lai sẽ sở hữu một "trái tim" năng lượng siêu cường. Năng lượng khổng lồ sinh ra từ phản ứng nhiệt hạch sẽ đảm bảo cho tàu vũ trụ và chiến hạm không bao giờ phải lo lắng về vấn đề năng lượng nữa.
Nếu phi thuyền được trang bị hệ thống tạo trọng lực, môi trường bên trong sẽ không khác biệt nhiều so với trên Trái Đất. Điều này cực kỳ thuận lợi cho các chuyến hành trình dài ngày trong không gian, giúp giảm thiểu tối đa hội chứng không gian và bảo vệ sức khỏe cho phi hành đoàn.
Để nghiên cứu công nghệ trọng lực, Tần Nghị đã trích xuất các kỹ thuật liên quan từ Tháp Khoa học Kỹ thuật từ vài năm trước. Song song với việc nghiên cứu công nghệ phản trọng lực, anh cũng thành lập một phòng thí nghiệm trọng lực chuyên biệt, với Lư Khánh Vĩ là người đứng đầu.
Lư Khánh Vĩ không chỉ là chuyên gia trong lĩnh vực phản trọng lực mà còn là chuyên gia về công nghệ trọng lực. Tại mặt trăng, anh đang dẫn dắt một đội ngũ khoa học khổng lồ để bí mật nghiên cứu công nghệ trọng lực và công nghệ phản ứng nhiệt hạch có kiểm soát.
Dù việc khai thác khoáng sản trong không gian có những thách thức kỹ thuật nhất định, nhưng Tần Nghị hoàn toàn không cần thiết phải điều động Lư Khánh Vĩ sang đó. Anh là một nhân tài kiệt xuất, người mà Tần Nghị đã chiêu mộ từ các dự án trọng điểm quốc gia trước đây.
Vai trò thực sự của anh, cũng giống như Dương Hồng Nham hay Trương Kiến, là tập trung vào nghiên cứu khoa học. Còn việc quản lý công ty và doanh nghiệp đã có các giám đốc chuyên nghiệp đảm nhiệm, không cần phải lãng phí tài năng của một chuyên gia như Lư Khánh Vĩ vào những công việc đó.
Tất cả những sự sắp đặt này đều nhằm mục đích giấu người tai mắt, tạo điều kiện thuận lợi cho việc di chuyển qua lại giữa Trái Đất và mặt trăng, cũng như phục vụ công tác nghiên cứu khoa học tại phòng thí nghiệm trên mặt trăng.