Máy tạo oxy của NASA có thể thay đổi mãi mãi Sao Hoả

Hơn một tháng trước, tàu Perseverance của NASA đã hạ cánh xuống bề mặt Sao Hoả. Nhưng đến nay, công việc thực sự của nó mới bắt đầu. Đặt sâu bên trong Percy là một thiết bị được thiết kế để hút bầu khí quyển giàu carbon dioxide của Sao Hỏa và cho ra oxy. Về cơ bản, nó như một cái cây cơ khí - thứ sẽ định hình nên tương lai của nhân loại trên Hành tinh đỏ.

Bầu khí quyển Sao Hỏa có mật độ chỉ bằng khoảng 1% bầu khí quyển Trái đất. Nếu muốn sống và làm việc trên Hành tinh đỏ, chắc chắn chúng ta phải tạo ra và lưu trữ nhiều oxy hơn.

"Thứ gì thở nhiều nhất trong một sứ mệnh lên Sao Hoả? Không phải con người đâu" - Michael Hecht, phó giám đốc quản lý nghiên cứu tại phòng thí nghiệm Haystack của MIT, điều tra viên của dự án MOXIE của NASA, cho biết. "Đó là tên lửa sẽ đưa bạn từ Sao Hỏa về nhà, thứ sẽ mang bạn ra khỏi hành tinh đó"

Theo ước tính của NASA, một phi hành đoàn 4 người sẽ cần rất nhiều nhiên liệu phản lực - xấp xỉ 6,8 tấn nhiên liệu và gần 25 tấn oxy - để tạo đủ lực đẩy cần để rời khỏi bề mặt Sao Hỏa và trở về nhà. Hiển nhiên, mang số oxy đó từ Trái đất lên Sao Hỏa để chuẩn bị cho ngày trở về là điều không tưởng.

Đó là lý do tại sao NASA lại thực hiện Thử nghiệm Tận dụng Tài nguyên Tại chỗ Oxy Sao Hoả, viết tắt là MOXIE.

Với kích cỡ gần bằng một viên pin xe hơi, MOXIE là một trong nhiều thử nghiệm tận dụng tài nguyên tại chỗ (ISRU) của NASA và là thử nghiệm đầu tiên được thử nghiệm trong không gian. Về cơ bản, ISRU là những thử nghiệm được thực hiện nhằm tìm kiếm những cách thức để các nhà du hành vũ trụ trong tương lai có thể sản xuất ra vật phẩm cần thiết từ tài nguyên sẵn có ở các thế giới khác.

"Nếu chúng ta thực sự muốn rời khỏi hành tinh và làm những thứ khác bên cạnh thí nghiệm khoa học, bạn sẽ phải suy nghĩ về việc tận dụng tài nguyên" - theo Jerry Sanders, người đứng đầu nhóm ISRU Capability Leadership tại Trung tâm Vũ trụ Johnson của NASA ở Houston.

NASA đang đầu tư thời gian và rất nhiều tiền bạc - khoảng 50 triệu USD trong trường hợp MOXIE - để phát triển nhiều chiến lược cho phép họ tạo dựng những khu định cư tự duy trì trên mặt trăng và Sao Hoả.

Sau nhiều năm nghiên cứu, chúng ta sắp biết được liệu MOXIE - và những thử nghiệm khác tương tự - có thực sự hiệu quả hay không.

MOXIE hoạt động ra sao

MOXIE sử dụng một phương thức gọi là điện phân oxide rắn. Đầu tiên, một ống lọc và bơm carbon dioxide của Sao Hỏa vào một máy nén cuộn, nơi nó được ép đến mức áp suất tương đương những gì chúng ta trải nghiệm ở mực nước biển trên Trái đất. Lượng carbon dioxide đã nén này sau đó được đưa vào một cụm điện phân oxide rắn gồm 10 cell.

"Hệ thống điện phân này là trái tim của MOXIE" - theo lời Asad Aboonbaker, một cộng tác viên trong dự án MOXIE và là kỹ sư hệ thống thiết bị tại phòng thí nghiệm phản lực của NASA ở Pasadena.

Cụm điện phân nói trên được cấu thành từ nhiều lớp kim loại và các cell gốm chuyên dụng có khả năng sử dụng các ion oxy để sản sinh điện năng khi đốt nóng đến nhiệt độ cao. "Nếu có điện thế, bạn có thể đưa một cách chọn lọc các ion oxy qua màng gốm và tách chúng ra khỏi mọi thứ khác" - Aboobaker nói.

Kết quả? Chính là khí oxy.

MOXIE là một hệ thống tinh vi. Carbon dioxide đi vào. Oxy và carbon monoxide - một sản phẩm phụ vô hại - đi ra. Nếu nó nhận quá nhiều điện, hệ thống có thể sản sinh sản phẩm phụ là carbon, hay bồ hóng, thay vì carbon monoxide. Mặt khác, nếu điện thế quá thấp, quá nhiều carbon monoxide có thể gây ngập hệ thống và bắt đầu oxy hóa thiết bị này.

"Chúng ta cần tính toán ngay điểm vừa phải giữa hai tình huống" - ông giải thích.

Mở rộng

Hiện nay, MOXIE chỉ là một công nghệ mang tính trình diễn. Hecht ước tính MOXIE sẽ chạy trong tổng cộng 10 tiếng trong vài năm tiếp theo. Mỗi 2 tiếng thử nghiệm sẽ sản sinh khoảng 6 - 10 gram oxy, vừa đủ để duy trì sự sống cho một chú chó nhỏ.

Nếu MOXIE thành công trong việc sản sinh oxy cho sứ mệnh Sao Hoả, bước tiếp theo là mở rộng nó. Có nghĩa là xây dựng một máy nén lớn hơn và mở rộng các cụm điện phân lên 100 cụm - theo Hecht. Phương thức hoạt động của hệ thống đồng nghĩa nếu tăng kích cỡ và số lượng các cụm điện phân thì sản lượng oxy cũng tăng theo.

Một MOXIE cỡ lớn - được thiết kế để sản xuất đổ oxy cho một sứ mệnh gồm 4 phi hành gia - sẽ cần phải chạy trong khoảng 10.000 giờ với công suất trung bình khoảng 2-3kg oxy/giờ.

Nhưng "phóng to" thiết kế MOXIE hiện tại để nó có thể sản xuất đủ oxy hỗ trợ cho một nhóm nhỏ chỉ là một bước tiến nhỏ trên con đường tiến đến tương lai bền vững trên Sao Hoả. Có một số vấn đề quan trọng cần được giải quyết, như thời tiết trên Sao Hỏa chẳng hạn.

Trong một ngày bất kỳ, bề mặt Sao Hỏa có thể trải qua những đợt thay đổi nhiệt độ với chênh lệch lên đến hơn 65 độ C. Những trận bão bụi khổng lồ có thể diễn ra trên toàn bộ Hành tinh đỏ trong hàng tháng trời, che lấp mặt trời và khiến áp suất không khí tăng thêm đến 12%.

"Thời tiết ảnh hưởng đến cách MOXIE vận hành" - Hecht nói. Hiểu được sự khắc nghiệt của những trận bão, và cụ thể hơn là sự thay đổi đáng kể áp suất không khí sẽ tác động ra sao đến hệ thống cơ khí của máy móc có thể giúp tìm ra thiết kế phù hợp cho những hệ thống quy mô lớn. Ví dụ, nếu một hệ thống MOXIE lớn trong tương lai gặp tình trạng áp suất tăng cao, Hecht nói rằng nó có thể điều chỉnh máy nén chậm lại một chút để giảm tải lượng carbon dioxide nạp vào.

Áp suất khí quyển trên bề mặt Sao Hỏa vào khoảng 4,5 Torr. Tại đỉnh của ngọn núi lửa lớn nhất Hành tinh đỏ, Olympus Mons, áp suất khí quyển giảm xuống còn khoảng 0,2 Torr; ở nơi sâu nhất của hố hellas Planitia, áp suất tăng lên khoảng 8,7 Torr. Để tiện so sánh, bề mặt Trái đất có áp suất khí quyển khoảng 760 Torr.

"Chúng tôi thiết kế hệ thống này đủ khỏe và linh hoạt để vận hành trong một loạt điều khiện khác nhau của bầu khí quyển" - Aboobaker giải thích. MOXIE có thể vận hành trong áp suất khí quyển giao động từ 2 - 12 Torr.

Nó sẽ được thử nghiệm suốt ngày lẫn đêm, khi không khí nguội đi và trở nên đặc hơn. Và bởi áp suất không khí có thể dao động đến 30% giữa các tháng mùa hạ và mùa đông, quá trình thử nghiệm sẽ diễn ra xuyên suốt cả năm. Các cảm biến tích hợp sẵn sẽ kiểm tra tiến độ của MOXIE khi nó chạy từng thử nghiệm và báo cáo lại nếu có vấn đề xảy ra.

Dữ liệu trả về từ các cảm biến này sẽ được sử dụng để thiết kế và phát triển các hệ thống quy mô lớn trong tương lai có khả năng sản xuất oxy suốt ngày, bất kể điều kiện thời tiết tại khu vực đó ra sao.

NASA ước tính phi hành đoàn đầu tiên đặt chân lên Sao Hỏa sẽ cần khoảng 30 kilowatt mỗi ngày để hỗ trợ cuộc sống tổng thể. Một MOXIE quy mô lớn, sẽ sử dụng số năng lượng tương đương. Dù các tấm pin năng lượng được xem là lựa chọn hiển nhiên để cấp điện cho một đồn định cư Sao Hoả, chúng vẫn có hàng loạt những nhược điểm.

Đầu tiên, bạn sẽ cần rất nhiều tấm pin năng lượng mặt trời để sản sinh ra đủ năng lượng cần cho một sứ mệnh có người tham gia. Và nhờ chu kỳ ngày và đêm của Sao Hoả, cũng như những trận bão bụi che chắn mặt trời, bất kỳ đồn định cư nào sử dụng năng lượng mặt trời cũng sẽ yêu cầu thêm một hệ thống lưu trữ năng lượng bền vững.

Giải pháp tốt nhất, theo Aboobaker, sẽ là một nhà máy điện hạt nhân cỡ nhỏ. "Nó chính là một lò phản ứng quy mô hợp lý để cung cấp điện cho một số thứ như một MOXIE bằng con người" - ông nói thêm.

Kỹ sư hạt nhân Dave Poston thuộc phòng thí nghiệm quốc gia Los Alamos, đồng ý. Đó là một giải pháp thay thế hiệu quả và an toàn cho năng lượng mặt trời: một lò phản ứng hạt nhân đơn lẻ có thể thay thể một tấm năng lượng mặt trời với kích cỡ gần bằng một sân bóng đá. Bạn sẽ thu được "nhiều năng lượng trên mỗi kilogram hơn so với hệ thống điện mặt trời truyền thống" - ông nói.

Công nghệ này không hoàn toàn mới. Giữa tháng 11/2017 và tháng 3/2018, NASA, phòng thí nghiệm tìm quản lý an ninh hạt nhân quốc gia (NNSA), và phòng thí nghiệm quốc gia Los Alamos, với nhiều đối tác khác đã thử nghiệm một lò phản ứng phân hạch hạt nhân tên Kilopower Reactor Using Stirling Technology, hay viết tắt là KRUSTY.

Đặt ở sa mạc Nevada, lò phản ứng hạt nhân này đã sản sinh thành công 5 kilowatt điện - khoảng một nửa số năng lượng cần để thắp sáng một hộ gia đình. Năm ngoái, phòng thí nghiệm quốc gia Los Alamos đã đồng ý cấp giấy phép lò phản ứng cho Poston và kỹ sư hạt nhân của LANL Patrick McClure.

Theo McClure, cách tốt nhất để thử nghiệm công nghệ trong thực tế là gửi một tàu thăm dò được trang bị các lò phản ứng 10 kilowatt lên bề mặt Sao Hoả. Con số này được tính toán là vừa đủ để duy trì cuộc sống cho một phi hành đoàn 6 người trong thời gian một ngày trên Sao Hoả.

Các hệ thống Kilopower tương lai, với quy mô lớn hơn để hỗ trợ các cộng đồng lớn hơn, có thể sản sinh ra vài megawatt năng lượng. Thay vì tiếp tục được gắn lên tàu đổ bộ, Poston cho biết những lò phản ứng này có thể được chôn bên dưới bề mặt Sao Hỏa hoặc dựng lên cách khu vực định cư Sao Hỏa nửa dặm. Nhờ đó, chúng sẽ không có khả năng bị hư hỏng trong quá trình phóng tàu.

Poston tin rằng Kilopower có thể sẵn sàng để cất cánh trong thập kỷ tới. "Vấn đề không nằm ở chúng tôi - chúng tôi có thể xây dựng một lò phản ứng khá nhanh" - McClure nói. "Vấn đề là tìm được một ai đó cùng một thiết bị phóng và trang thiết bị phù hợp để điều khiển nó hạ cánh".

Cuộc chiến kho lưu trữ

Tiếp theo là vấn đề lưu trữ. "Cách lưu trữ không phải là không có, nhưng giống như bất kỳ công việc kỹ thuật nào trên các hành tinh khác, nó có thể khiến bạn nhụt chí" - Hecht nói. "Biết làm sao để thực hiện điều đó và thực hiện được điều đó là hai thứ khác nhau".

Oxy lỏng được tạo ra để sử dụng trong chất đốt phản lực đặc biệt khó để lưu trữ trên bề mặt Sao Hoả. Nó phải được làm lạnh đến khoảng -182 độ C - một quy trình, mà theo Sanders, là cực kỳ tốn năng lượng và đòi hỏi gấp 10 lần năng lượng so với việc chỉ lưu trữ nó.

Giữ những bồn chứa đủ lạnh để oxy không nóng lên và bay hơi vào khí quyển là rất quan trọng. Thiết kế được một bồn đông cách nhiệt dùng trên Sao Hỏa là một công việc hoàn toàn khác so với việc thiết kế một bồn chứa tương tự dùng trong không gian phi trọng lực.

"Trong không gian, bởi bạn có môi trường chân không, những lớp cách nhiệt kia hoạt động rất hiệu quả" - Sanders nói. "Tuy nhiên, Sao Hỏa có bầu khí quyển, nên tất cả những công nghệ chúng ta từng phát triển cho đến thời điểm này để ứng dụng trong không gian không thực sự hoạt động".

Một giải pháp tạm thời là gửi lên đó một bồn thép bọc trong lớp vỏ chân không, vốn thường được sử dụng để làm lạnh các chất lỏng đông lạnh trên Trái Đất. "Bạn về cơ bản phải đặt một cái bồn vào trong một cái bồn khác, và giữa chúng, bạn hút không khí để tạo chân không" - Sanders nói. "Môi trường chân không đó giảm được lượng nhiệt đi vào bồn bên trong đang chứa chất lỏng đông lạnh". Dẫu vậy, những lựa chọn này là rất cồng kềnh và tiêu tốn chi phí lẫn nhiên liệu để đưa lên bề mặt Sao Hoả. Aerogels, một vật liệu silica siêu nhẹ, cũng có thể được sử dụng để cách nhiệt một bồn kim loại và có thể giúp giảm nhẹ khối lượng hàng hoá.

"Sao Hỏa có bầu khí quyển, nên tất cả những công nghệ chúng ta từng phát triển cho đến thời điểm này để ứng dụng trong không gian không thực sự hoạt động"

Sanders cho biết NASA cũng đang nghiên cứu sử dụng các loại bồn có thể bơm được, mà trong hành trình lên Sao Hỏa sẽ được gấp gọn và sau đó bơm lên khi đến nơi. Dù những loại bồn này giúp tiết kiệm nhiên liệu, không gian và chi phí, ông nói rằng chúng kém hiệu quả hơn về mặt giữ nhiệt. "Đó có lẽ là một sự đánh đổi chúng ta phải cân nhắc" - Sanders nói.

Và tiếp theo là vấn đề về bụi. "Khi bạn có một bề mặt phủ đầy bụi, các đặc tính về nhiệt của nó sẽ thay đổi" - Sanders nói. Giống như cách một lớp bụi trên chỏm băng hấp thụ nhiệt và khiến nó tan chảy nhanh hơn, một lớp bụi Sao Hỏa trên bề mặt bồn đông lạnh có thể khiến nhiệt độ của nó nóng lên.

Một nhóm nghiên cứu tại Trung tâm Không gian Kennedy của NASA hiện đang phát triển công nghệ đẩy tĩnh điện, được thiết kế để đẩy bụi mặt trăng hoặc Sao Hỏa ra khỏi các bề mặt. Ngoài ra, định kỳ thổi khí nén lên bề mặt cũng có thể giúp đẩy sạch bụi. Một giải pháp đơn giản hơn? Cứ làm một bồn chứa có chóp là được. Chúng ta sẽ chế tạo một bồn chứa dạng chóp, lợi dụng trọng lực để đẩy bụi khỏi bề mặt - Sanders nói.

Ban đầu, kích cỡ những bồn chứa sẽ được thiết kế theo kích cỡ các tàu hạ cánh chở chúng. Nhưng NASA hiện đã nghĩ đến việc xây dựng những trạm lớn hơn - giống như xây trạm xăng trên Sao Hỏa vậy - nơi những người định cư trong tương lai có thể nạp nhiên liệu cho tên lửa của họ.

Tiếp tục công việc

Trong khi MOXIE đang bận rộn "thở" ra oxy trên Hành tinh đỏ, các nhóm kỹ sư từ Trái đất sẽ tiếp tục nghiên cứu một hệ thống kích cỡ bằng con người.

Hecht và nhóm của ông đang hợp tác với một công ty tại Colorado tên Air Squared để phát triển một máy nén lớn hơn. Một công ty khác, OxEon Energy ở Salt Lake City, vừa nhận được khoản tài trợ lớn từ NASA để phát triển một cấu trúc điện phân oxide dạng xếp chồng cỡ lớn có khả năng sản xuất gần 1 kg oxy/giờ. Tại MIT, các nhà nghiên cứu đang phát triển những bộ lọc nhỏ hơn, nhẹ hơn, để ngăn bụi lọt vào trong.

Hecht tin rằng một hệ thống MOXIE hoàn chỉnh có thể sẽ hiện diện trên Sao Hỏa trong hai thập kỷ tới. Đó là trong trường hợp chính phủ không xem xét lại và rút các khoản vốn để chuyển sang các khu vực khác trong thái dương hệ. "Nếu bạn hỏi rằng ‘Khi nào chúng ta sẽ làm được’, thì câu trả lời là tùy thuộc vào chính trị hơn là khoa học" - ông nói. "Tôi tin rằng chúng ta sẽ làm được vào khoảng năm 2030 - nếu chúng ta tham vọng và nghiêm túc về nó".

Chìa khóa đến một tương lai định cư thành công nằm ở việc làm sao để thiết lập được mọi thứ chỉ trong một chu kỳ - tức khoảng 26 tháng - trước khi con người đặt chân lên Hành tinh đỏ. "Đó là quãng thời gian chúng ta cần để bơm đầy bồn oxy này" - Hecht giải thích. "Bạn bắt đầu làm điều đó khi hệ thống được đưa lên đến nơi, và bạn muốn hoàn tất kịp lúc để thông báo với mọi người trên Trái đất rằng bồn đầy rồi"

Là một dự án đầu tư nhỏ, bằng kích cỡ một viên pin xe hơi điện, các nhà khoa học kỳ vọng kết quả thu được sẽ hoàn toàn xứng đáng và đảm bảo được sự thành công cho công cuộc định cư trong tương lai.

Tham khảo: PopularMechanics