Oxy từng được sản xuất thành công trên... Sao Hỏa?

Trong giai đoạn 2021-2023, một cột mốc lịch sử trong ngành khám phá vũ trụ đã được thiết lập, khi thiết bị MOXIE của Cơ quan Hàng không & Vũ trụ Mỹ (NASA) sản xuất thành công 122 gram oxy có thể hít thở ngay trên bề mặt Sao Hỏa.

Đây là lần đầu tiên trong lịch sử nhân loại, con người có thể tự tạo ra dưỡng khí trên một thiên thể khác, mở ra triển vọng to lớn cho các sứ mệnh đưa phi hành gia đi lại giữa Trái Đất với các hành tinh khoảng xa hơn trong tương lai.

Câu chuyện bắt đầu vào sáng 20/4/2021, khi một thiết bị nhỏ gọn chỉ bằng kích thước của một chiếc lò vi sóng, được tích hợp trên xe tự hành Perseverance của NASA, hoàn thành giờ hoạt động đầu tiên. Ngay sau đó, những dữ liệu quý giá được truyền về Trung tâm Kiểm soát đặt tại Viện Công nghệ Massachusetts (MIT).

Với tên gọi đầy đủ là Thí nghiệm Sử dụng Tài nguyên Tại chỗ Sản xuất Oxy trên Sao Hỏa (Mars Oxygen In-Situ Resource Utilization Experiment - MOXIE), thiết bị này ban đầu đã tạo ra được 5,4 gram oxy, vừa đủ cho một phi hành gia duy trì nhịp thở trong khoảng 10 phút.

Cận cảnh thiết bị MOXIE sắp được đặt xuống khoang bụng của xe tự hành Perseverance. Ảnh: NASA, JPL-Caltech

Cho đến khi chính thức khép lại hành trình và ngừng hoạt động vào ngày 7/8/2023, MOXIE đã trải qua tổng cộng 16 lần vận hành và tích lũy được 122 gram oxy tinh khiết.

Dù khối lượng này còn rất khiêm tốn, chỉ tương đương với lượng dưỡng khí mà một chú chó nhỏ hít thở trong vòng 10 giờ, nó vẫn mang một giá trị biểu tượng vô giá và có ý nghĩa lịch sử đặc biệt quan trọng trong dòng chảy lịch sử chinh phục không gian.

"Phép màu" từ cỗ máy tí hon

Thực tế, mục tiêu cốt lõi của MOXIE không phải là trực tiếp duy trì sự sống cho con người tại thời điểm đó, mà chỉ đóng vai trò như một thử nghiệm xem liệu công nghệ điện phân oxit rắn tiên tiến có thể chống chịu và hoạt động ổn định trong môi trường khắc nghiệt của Sao Hỏa hay không.

Kết quả thực tế đã chứng minh công nghệ này hoàn toàn khả thi và thành công rực rỡ.

Về mặt kỹ thuật, MOXIE là thành quả sáng tạo của nhóm nghiên cứu do Giáo sư Michael Hecht dẫn đầu tại Đài Quan sát Haystack thuộc MIT, phối hợp cùng phó trưởng nhóm Jeffrey Hoffman. Cỗ máy này chỉ nặng vỏn vẹn 15 kg, sở hữu kích thước gọn gàng khoảng 24x24x31 cm và tiêu thụ mức điện năng khiêm tốn khoảng 300 watt.

Khiêm tốn là vậy, nhưng quy trình vận hành của MOXIE lại diễn ra vô cùng tinh vi. Thiết bị sẽ hút bầu khí quyển của Sao Hỏa qua một màng lọc để loại bỏ hoàn toàn bụi bẩn, sau đó nén khí và nung nóng lên mức nhiệt độ cực cao, đạt tới 800°C.

Khi dòng khí nóng này đi qua màng điện phân cấu tạo từ zirconia ổn định bằng scandia, dòng điện sẽ phân tách các phân tử carbon dioxide (CO2) thành các ion oxy và khí carbon monoxide (CO).

Cuối cùng, các ion oxy tự do sẽ kết hợp lại để tạo thành khí oxy (O2) với độ tinh khiết vượt trội trên 98%. Sau khi được hệ thống đo lường kiểm tra kỹ lưỡng, lượng khí này mới được xả ra môi trường bên ngoài.

Hình minh họa xe tự hành xe tự hành Perseverance trên Sao Hỏa. Ảnh: NASA, JPL-Caltech

Dù công nghệ điện phân oxit rắn vốn đã quen thuộc trên Trái Đất, nhưng MOXIE là minh chứng đầu tiên cho thấy một hệ thống có thể thu nhỏ, vận hành bền bỉ và tiết kiệm năng lượng tối đa trong điều kiện bão bụi, giá lạnh cùng những biến động nhiệt độ khắc nghiệt suốt một năm trên Sao Hỏa.

Viết tiếp giấc mơ "hít thở" ngoài Trái Đất

Dẫu vậy, con đường từ một thí nghiệm thành công trong phòng thí nghiệm di động đến việc ứng dụng vào thực tế để phục vụ các chuyến du hành ngoài vũ trụ vẫn là một khoảng cách công nghệ rất lớn.

Theo tính toán chi tiết từ nhà khoa học Michael Hecht, để có thể phóng một con tàu chở 4 phi hành gia rời khỏi bề mặt Sao Hỏa, cần tới khoảng 7 tấn nhiên liệu methane cùng 25 tấn oxy lỏng.

Nếu chỉ tính riêng lượng oxy cần thiết cho tên lửa kích nổ, thiết bị MOXIE hiện tại với công suất tối đa 12 gam/giờ sẽ phải hoạt động liên tục không ngừng nghỉ trong hơn 230 năm. Bên cạnh đó, để sản xuất đủ lượng oxy phục vụ nhu cầu hô hấp cho tổ bay 4 người này trong vòng 1 năm, thiết bị cũng cần tới gần 10 năm vận hành liên tục.

Nhằm hiện thực hóa giấc mơ, các nhà khoa học đang ráo riết nghiên cứu một phiên bản nâng cấp mang tên "Big MOXIE" với quy mô lớn hơn rất nhiều. Hệ thống khổng lồ này dự kiến có khả năng sản xuất từ 2 đến 3 kg oxy mỗi giờ, tiêu thụ nguồn điện năng lên tới 25-30 kilowatt và phải tự vận hành liên tục hơn 1 năm trước khi các phi hành gia đặt chân đến.

Thử thách đặt ra là toàn bộ hệ thống này cần được phóng đi trước, lắp đặt hoàn chỉnh và kích hoạt tự động hoàn toàn trên bề mặt Sao Hỏa - một kỳ tích kỹ thuật cực kỳ nan giải mà chưa một thiết bị vũ trụ nào hiện nay có thể chạm tới.

Dù vậy, nhìn một cách tổng thể, MOXIE đã xuất sắc chứng minh được điều cốt lõi nhất: công nghệ điện phân oxit rắn hoạt động vô cùng đáng tin cậy dưới các tác động tiêu cực của môi trường Sao Hỏa, chỉ suy giảm hiệu suất nhẹ sau nhiều chu kỳ nung và chịu đựng tốt mọi sự biến đổi khí hậu.

Đây được xem là cột mốc đầu tiên của con người trong việc tự chế tạo thành công một nguồn tài nguyên tiêu thụ quan trọng từ chính nguyên liệu sẵn có trên một hành tinh khác, thay vì phải vận chuyển tốn kém từ Trái Đất sang.

Kết quả đột phá này đã củng cố vững chắc vai trò chiến lược của công nghệ tận dụng tài nguyên tại chỗ (ISRU) trong mọi kế hoạch xây dựng căn cứ và duy trì sự hiện diện lâu dài của con người trên Sao Hỏa.

Kết quả đột phá của MOXIE đã củng cố vững chắc vai trò chiến lược của công nghệ ISRU trong mọi kế hoạch xây dựng căn cứ và duy trì sự hiện diện lâu dài của con người trên Sao Hỏa. Hình minh họa: Space Daily

Dù nhân loại trước mắt vẫn còn vô vàn rào cản khắc nghiệt như hiểm họa phóng xạ, bài toán hỗ trợ sự sống dài hạn, giới hạn ngân sách hay sức khỏe của các phi hành gia, thì ít nhất một chiếc chìa khóa kỹ thuật then chốt đã được mở ra thành công.

Khối lượng 122 gram oxy mà MOXIE để lại tuy chưa thể đưa được ai ra ngoài vũ trụ, nhưng nó đã biến một giả thuyết xa vời thành một hiện thực sinh động. Lần đầu tiên trong lịch sử, chúng ta có thể tự tin khẳng định con người có thể hít thở bầu không khí do chính bàn tay mình nhào nặn trên Sao Hỏa.

Điều đó, tuy là một bước tiến nhỏ bé ban đầu, nhưng chắc chắn sẽ là tiền đề vững chắc dẫn đến những bước nhảy vọt vĩ đại của con người trong tương lai không xa.