Trải qua hơn nữa thế kỷ phát triển, động cơ tên lửa có vẻ bnhư đã tới hạn. Các nghiên cứu cải tiến về nhiên liệu cũng không thể giúp động cơ tên lửa đạt tốc độ vượt quá Mach 10 trong bầu khí quyển và vận tốc vũ trụ cấp 3 trong không gian.

Ngoài ra, các tên lửa đẩy hiện nay gặp nhiều giới hạn về lực đẩy nên không thể phóng các phương tiện có trọng lượng lớn.

Đã gần 50 năm kể từ khi con người bắt đầu công cuộc chinh phục vũ trụ. Tuy nhiên, những nơi mà con người vươn tới chẳng được bao nhiêu so với tham vọng của cả nhân loại. Tất cả điều này đều do sự hạn chế về tốc độ di chuyển trong không gian.

Ví dụ, một tàu vũ trụ của NASA phải mất tới 12 tháng để đi đến sao Hỏa và trở về trái đất. Để nghiên cứu các mặt trăng của sao Thổ tàu con thoi phải mất tới 9  năm cả đi và về. Những con số trên cho thấy rằng, nếu không tạo được sự đột phá về tốc độ, con người mãi mãi sẽ không thể vượt qua được thái dương hệ.

Động cơ xung hạt nhân - Cơ hội khám phá không gian

Ngay khi bắt đầu bước vào lĩnh vực khám phá không gian vũ trụ, các nhà khoa học đã nhận thấy động cơ tên lửa thông thường không thể tạo ra được sự đột phá trong chinh phục không gian. Sự tới hạn về lực đẩy đã được các nhà khoa học tiên lượng trước.

Ý tưởng về động cơ xung hạt nhân được tiến hành nghiên cứu ngay từ những năm cuối 1950 đầu 1960.

Dự án Orion, phát triển một động cơ năng lượng hạt nhân được tiến hành nghiên cứu và thử nghiệm tại General Atomics.

Động cơ xung hạt nhân hoạt động theo nguyên tắc tạo ra vụ nổ hạt nhân có kiểm soát, năng lượng tạo ra từ vụ nổ sẽ được sử dụng để đẩy tàu con thoi di chuyển, tương tự như động cơ tên lửa thông thường.

Những tính toán cho thấy kết quả rất khả quan, với động cơ xung hạt nhân, tàu con thoi có thể đi đến sao Hỏa và trở về chỉ trong 7 tuần, ghé thăm các mặt trăng của sao Thổ chỉ mất 7 tháng.

Ngoài ra, lực đẩy tạo ra từ vụ nổ hạt nhân rất lớn, điều đó cho phép phóng những con tàu không gian lớn hơn cho những nhiệm vụ dài ngày.

Động cơ xung hạt nhân sẽ giúp con người khám phá những vùng không gian bí ẩn xa xôi mà các tàu không gian với động cơ thông thường có thể không bao giờ tới được.

Orion, dự án tiên phong

Động cơ xung hạt nhân đã cho thấy tiềm năng to lớn của nó trong việc giúp con người nghiên cứu không gian. Tuy nhiên, để làm chủ công nghệ này là một thách thức rất lớn cho các nhà khoa học. Thách thức đầu tiên là vật liệu chế tạo động cơ, phải là loại siêu bền để có thể chịu được sức mạnh của vụ nổ hạt nhân. Thiết kế tham khảo của dự án tàu con thoi Orion sử dụng thép dùng cho chế tạo tàu ngầm.

Bên cạnh đó một vấn đề khác không kém phần hóc búa là bảo vệ phi hành đoàn và các thiết bị điện tử trước sóng điện từ phát ra từ vụ nổ hạt nhân. Loại xung này có thể làm tê liệt và phá hủy tất cả các thiết bị điện tử. Điều này đã ngăn cản tính khả thi của dự án.

Ngoài ra, một vấn đề mang tính nguy hiểm khác cho nhân loại là bụi phóng xạ, các tính toán cho thấy, bụi phóng xạ từ vụ phóng tàu con thoi bằng động cơ xung hạt nhân có thể gây tử vong từ 1-10 người trên mặt đất. Đặc biệt phóng xạ sẽ có sự lan tỏa rất cao trong quá trình tàu con thoi vượt ra ngoài khí quyển.

Những hạn chế về công nghệ  và vấn đề an toàn đã khiến dự án Orion bị hủy bỏ vào năm 1963. Dự án tàu con thoi Orion đã bị đình chỉ và chỉ được các nhà làm phim đưa vào trong bộ phim Deep Impart năm 1998. Dù vậy, tiềm năng to lớn của nó vẫn là một kho báu cho nhân loại.

Daedalus, niềm hy vọng vụt tắt

Giai đoạn 1973-1978, Hội liên Anh đã khởi động dự án Daedalus nhằm thiết kế một tàu vũ trụ không người lái sử dụng động cơ trên cơ sở ý tưởng động cơ xung hạt nhân từ dự án Orion của Mỹ.

Daedalus muốn thiết kế một tàu vũ trụ có trọng lượng tới 54.000 tấn, trong đó gần 50.000 tấn nhiên liệu, 500 tấn các trang thiết bị khoa học. Đây có thể coi là dự án tàu vũ trụ lớn nhất thế giới. Để có thể đẩy được khối lượng khổng lồ này ra khỏi trái đất cần một loại siêu động cơ, ngay cả động cơ xung hạt nhân của dự án Orion cũng chưa chắc đảm nhiệm được.

Vì vậy, các nhà thiết kế Anh đã phát triển một khái niệm về động cơ mới đó là động cơ nhiệt hạch. Động cơ nhiệt hạch sẽ sử dụng Deuterium và hổn hợp Heli-3 được đốt cháy trong buồng phản ứng, động cơ này còn được gọi là động cơ plasma.

Động cơ này được đốt cháy trong 2 giai đoạn, giai đoạn đốt cháy đầu tiên kéo dài trong khoảng 2 năm, giai đoạn này động cơ có thể đưa tàu vũ trụ di chuyển với tốc độ bằng 7,1% tốc độ ánh sáng, giai đoạn đốt cháy thứ 2 kéo dài khoảng 1,8 năm, tốc độ đạt được ở giai đoạn này bằng 12% tốc độ ánh sáng.

Tuy nhiên, Heli-3 là loại đồng vị phóng xạ rất hiếm trên trái đất, nơi chứa nhiều loại đồng vị phóng xạ này ở tận sao Mộc quá xa Trái đất. Bên cạnh đó, đặc tính kỹ thuật của dự án quá phức tạp và gần như vượt quá khả năng của con người trong giai đoạn này. Tương tự như dự án Orion, dự án Daedalus bị đóng cửa vào cuối những năm 1970. 

Tia sáng le lói với Longshot

Đến năm 1987-1994, NASA phối hợp cùng Học viện Hải quân Mỹ tiếp tục hồi sinh động cơ xung hạt nhân bằng dự án tàu vũ trụ Longshot để thăm dò ngôi sao Alpha Centauri B. Dự án sử dụng động cơ tương tự như động cơ nhiệt hạch của dự án Deadalus. Điểm khác biệt là nó không sử dụng trực tiếp phản ứng nhiệt hạch để tạo ra năng lượng như dự án Deadalus mà sử dụng gián tiếp năng lượng nhiệt hạch thông qua một lò phản ứng.

Hành trình của tàu không gian Longshot đến ngôi sao Alpha Centauri B kéo dài đến 100 năm, tốc độ đạt được với động cơ này là 13.411km/giây, tương đương với 4,5% tốc độ ánh sáng, tín hiệu thu thập được mất 4,39 năm để trở về trái đất.

Tàu không gian Longshot có trọng lượng 396 tấn, trong đó có 264 tấn nhiên liệu Heli-3/Deuterium cộng với một lò phản ứng hạt nhân nặng 30 tấn. Động cơ xung hạt nhân của dự án Longshot tuy tốc độ đạt được không cao như động cơ plasma của dự án Deadalus nhưng việc lắp đặt một lò phản ứng hạt nhân đã cho thấy tính khả thi của dự án.

Sự phát triển của dự án Longshot đến nay vẫn chưa được công bố một cách rõ ràng. Tuy nhiên, các tiến bộ gần đây về công nghệ sẽ cho phép có những phát triển khả quan hơn đối với động cơ xung hạt nhân, việc khám phá không gian sẽ trở nên sáng sủa hơn với động cơ này.