Tương lai ngành sản xuất bán dẫn với các công xưởng trong vũ trụ

Tương lai có thể xuất hiện nhiều công xưởng trên trạm vũ trụ

Từ lâu, giới khoa học đã gợi ý rằng môi trường vi trọng lực ở quỹ đạo Trái đất có thể giúp sản xuất những sản phẩm có chất lượng cao hơn so với điều kiện dưới mặt đất. Từ năm 1973, các phi hành gia đã thử nghiệm nuôi tinh thể (một thành phần then chốt trong mạch điện tử) trên trạm vũ trụ Skylab của NASA. Thế nhưng, tiến trình này diễn ra rất chậm. Suốt hàng chục năm, sản xuất trong không gian chỉ dừng ở mức thử nghiệm, chưa mang tính thương mại.

Giờ đây, điều đó đang thay đổi. Hàng loạt công ty mới như Astral đang tận dụng chi phí phóng tên lửa ngày càng rẻ cùng với các giải pháp mới để đưa hàng trở lại Trái đất, để thổi luồng sinh khí mới vào ngành sản xuất trong không gian. Theo Mike Curtis-Rouse (người đứng đầu mảng dịch vụ, lắp ráp và sản xuất trong quỹ đạo tại tổ chức nghiên cứu Satellite Applications Catapult của Anh), lĩnh vực này đang trở nên “cực kỳ sôi động”. Ông nói thêm: “Tới năm 2035, ngành kinh tế không gian toàn cầu được kỳ vọng sẽ đạt hàng nghìn tỉ USD, trong đó sản xuất ngoài Trái đất có thể chiếm khoảng 100 tỉ USD”.

Hiểu đơn giản, sản xuất ngoài Trái đất là việc chế tạo bất kỳ sản phẩm nào trong vũ trụ, dùng cho Trái đất hoặc chính không gian. Trong điều kiện không trọng lực, có thể thực hiện những quy trình chế tạo mà trên Trái đất không thể tạo, nhờ vào các đặc tính vật lý độc đáo của trạng thái gần như không có trọng lượng.

Một trong những quy trình ấy là nuôi tinh thể, đặc biệt là tạo tinh thể mầm - yếu tố sống còn trong sản xuất chất bán dẫn. Trên Trái đất, các kỹ sư sử dụng một tinh thể mầm silicon tinh khiết, nhỏ, nhúng vào silicon nóng chảy để biến thành tinh thể lớn, sau đó cắt lát thành wafer dùng trong điện tử. Tuy nhiên, ảnh hưởng của trọng lực trong quá trình này có thể khiến tinh thể bị nhiễm tạp chất. Joshua Western (CEO của công ty Space Forge ở Anh) khẳng định: “Silicon bây giờ gặp một vấn đề không thể giải quyết được. Chúng ta về cơ bản không thể làm nó tinh khiết hơn nữa”.

Western cho rằng nuôi tinh thể mầm trong không gian có thể tạo ra wafer tinh khiết hơn nhiều: “Bạn gần như có thể nhấn nút khởi động lại cho giới hạn hiện tại của chất bán dẫn”.

Công ty Astral của Frick dự định thực hiện điều này bằng một lò nung cỡ tủ lạnh nhỏ, có thể đạt tới nhiệt độ khoảng 1.500 độ C. Việc nuôi tinh thể không chỉ hữu ích cho ngành bán dẫn, mà còn có thể giúp tạo ra thuốc chất lượng cao hơn và mở ra đột phá trong khoa học vật liệu.

Ngoài tinh thể, các sản phẩm khác cũng có thể được sản xuất trong không gian với lợi ích tương tự. Hồi tháng 1.2025, Trung Quốc thông báo đã chế tạo hợp kim (kim loại) mới trên trạm vũ trụ Thiên Cung, nhẹ hơn và cứng hơn nhiều so với các hợp kim tương tự trên Trái đất. Trong lĩnh vực nghiên cứu y sinh, môi trường vi trọng lực cũng mở ra khả năng mới. Mike Gold (Chủ tịch mảng không gian dân sự và quốc tế tại công ty Redwire ở Florida, Mỹ) giải thích: “Khi không còn trọng lực, bạn có thể chế tạo thứ gì đó như một cơ quan nội tạng. Nếu làm việc đó dưới Trái đất, nó sẽ bị bẹp dí”. Redwire là đơn vị đã tiến hành nhiều thử nghiệm sản xuất trên trạm ISS.

Thách thức lớn nhất đối với sản xuất trong không gian là: làm thế nào để đưa thiết bị lên vũ trụ và đưa sản phẩm trở lại Trái đất một cách hiệu quả và có thể mở rộng. Rất may, tên lửa Falcon 9 của SpaceX đã giúp giảm mạnh chi phí tiếp cận không gian, trong khi các công ty như Space Forge và Varda Space Industries (ở California) đang phát triển các khoang phi hành không người lái, có thể mang lò nung như của Astral lên quỹ đạo và đưa sản phẩm trở lại.

Varda đã thực hiện ba sứ mệnh thử nghiệm, cho các khoang hạ cánh thành công tại sa mạc Utah và vùng hẻo lánh nước Úc. Trong chuyến bay đầu tiên năm ngoái, công ty đã nuôi tinh thể của thuốc kháng vi rút ritonavir thành công. Eric Lasker (giám đốc doanh thu của Varda) nhận định tiềm năng thị trường và lợi ích sức khỏe có thể rất lớn: “Nó có thể thực sự giúp ích cho con người”.

Khi năng lực sản xuất trong quỹ đạo gia tăng trong vài năm tới, quy mô sẽ tăng nhanh chóng. Lasker nói: “Tôi hình dung các nhà máy trong không gian sẽ giống như những xưởng sản xuất. Bạn sẽ thấy các trạm hoặc phương tiện được xây dựng sẵn. Rất dễ hình dung viễn cảnh đó”.

Về lâu dài, các công ty còn kỳ vọng khai thác trực tiếp tài nguyên ngoài không gian thay vì phải vận chuyển nguyên liệu từ Trái đất lên. Một số công ty đã hướng tới khai thác tiểu hành tinh. Nổi bật là AstroForge (California) dự định hạ cánh lên một thiên thể được cho là một tiểu hành tinh kim loại vào năm tới, để xem có thể khai thác vật liệu hữu ích hay không. Các tiểu hành tinh có thể giàu kim loại nhóm bạch kim, cũng như nước và các tài nguyên khác.

Dù vậy, theo Curtis-Rouse, đó vẫn là chuyện tương lai. Hiện tại, sản xuất trong không gian vẫn còn như một điều lạ lẫm. Nhưng Curtis-Rouse tin rằng chỉ trong vòng 10 năm, điều đó sẽ trở thành điều bình thường như cơm bữa.

Anh Tú