Vật liệu bất ngờ có thể giúp luyện sắt, xây nhà trên sao Hỏa

Trên thực tế, sao Hỏa sở hữu đầy đủ nguyên liệu cần thiết để tạo ra kim loại thô: các oxit giàu sắt trong lớp regolith và carbon từ bầu khí quyển mỏng, có thể đóng vai trò chất khử

Ý tưởng thiết lập các khu định cư trên sao Hỏa từ lâu đã thôi thúc trí tưởng tượng của các tỷ phú, các chương trình vũ trụ quốc gia và những người đam mê khám phá không gian.

Tuy nhiên, việc xây dựng những thuộc địa này đòi hỏi một lượng vật liệu khổng lồ và rõ ràng việc vận chuyển tất cả từ Trái đất là điều bất khả thi. Để dễ hình dung, chỉ riêng việc đưa tàu tự hành Perseverance nặng một tấn của NASA lên sao Hỏa đã tiêu tốn khoảng 243 triệu USD.

Nếu không muốn xây dựng một “thành phố của loài kiến” (tức là đào các hang vào lòng đất trên sao Hỏa), con người sẽ cần rất nhiều nguồn tài nguyên hơn thế. Vấn đề đặt ra là phải lấy chúng từ đâu?

Với tiến sĩ Deddy Nababan, nghiên cứu sinh sau tiến sĩ của CSIRO và cựu sinh viên Swinburne, câu trả lời có thể nằm ngay trong lớp đất bề mặt của sao Hỏa, gọi là regolith.

Tiến sĩ Nababan phân tích: “Việc mang kim loại từ Trái đất lên sao Hỏa có thể khả thi nhưng chắc chắn không kinh tế. Bạn có thể tưởng tượng việc vận chuyển hàng tấn kim loại không? Điều đó hoàn toàn không thực tế. Thay vào đó, chúng ta có thể sử dụng những gì sẵn có trên sao Hỏa. Đây được gọi là khai thác tài nguyên tại chỗ (ISRU)”. Cụ thể hơn, ông Nababan đang theo đuổi lĩnh vực astrometallurgy - luyện kim ngoài không gian.

Xây dựng một lò luyện ngoài Trái đất

Trên thực tế, sao Hỏa sở hữu đầy đủ nguyên liệu cần thiết để tạo ra kim loại thô: các oxit giàu sắt trong lớp regolith và carbon từ bầu khí quyển mỏng, có thể đóng vai trò chất khử.

Giáo sư Akbar Rhamdhani, chuyên gia luyện kim vũ trụ tại Đại học Công nghệ Swinburne, cùng tiến sĩ Nababan đang thử nghiệm quy trình này với regolith simulant - vật liệu mô phỏng đất đá của sao Hỏa.

Giáo sư Rhamdhani giải thích: “Chúng tôi chọn loại mô phỏng có tính chất gần giống đất đá tại miệng hố Gale trên sao Hỏa và xử lý chúng trên Trái đất trong điều kiện giả lập. Cách này cho thấy quy trình sẽ hoạt động ra sao khi áp dụng ngoài không gian”.

Mẫu vật liệu được đặt trong buồng có áp suất bề mặt sao Hỏa và nung ở nhiệt độ tăng dần. Kết quả cho thấy sắt tinh khiết bắt đầu hình thành ở khoảng 1.000°C, trong khi hợp kim sắt - silicon lỏng xuất hiện ở khoảng 1.400°C.

Giáo sư Rhamdhani cho biết thêm: “Khi nhiệt độ đủ cao, tất cả kim loại kết tụ lại thành một giọt lớn. Từ đó có thể tách khỏi xỉ lỏng giống như trên Trái đất”.

Cùng với tiến sĩ Nababan, ông còn hợp tác với tiến sĩ Mark Pownceby của CSIRO để phát triển thêm quy trình này, đặc biệt hướng tới mục tiêu luyện kim “không rác thải”, trong đó các sản phẩm phụ cũng được tận dụng để tạo ra vật liệu hữu ích.

Nếu không thể vận chuyển, hãy sản xuất tại chỗ

Trong lĩnh vực thám hiểm vũ trụ, khai thác tài nguyên tại chỗ (ISRU) ngày càng trở nên quan trọng, bởi mỗi kilogram hàng hóa đưa lên tàu vũ trụ đều làm tăng chi phí và độ phức tạp. Mặc dù chi phí phóng đang giảm dần, nhưng quy mô tài nguyên cần thiết để duy trì con người trên sao Hỏa vẫn vô cùng lớn.

Những bước tiến đáng kể đã được ghi nhận, như thí nghiệm MOXIE của NASA - thiết bị trên tàu Perseverance đã sản xuất thành công oxy hô hấp chỉ từ khí CO2 trên sao Hỏa.

Luyện kim sẽ là bước nhảy vọt tiếp theo. Giáo sư Rhamdhani kỳ vọng các hợp kim sản xuất ngay trên Sao Hỏa có thể được sử dụng làm vật liệu xây dựng nhà ở, trung tâm nghiên cứu hay máy móc khai thác.

Giáo sư Rhamdhani nhận định: “Tất nhiên còn nhiều thách thức. Chúng ta cần hiểu rõ hơn các hợp kim này sẽ thể hiện tính chất thế nào theo thời gian và liệu quy trình này có thể lặp lại trên bề mặt sao Hỏa thực sự hay không”.

Trong lúc đó, Swinburne và các đối tác vẫn đang tích cực đẩy mạnh nghiên cứu. Gần đây, giáo sư Rhamdhani cùng tiến sĩ Nababan và tiến sĩ Matt Shaw (CSIRO, cũng là cựu sinh viên Swinburne) đã tổ chức một khóa học 4 ngày về luyện kim vũ trụ tại Hàn Quốc, nhận được phản hồi tích cực.

Giáo sư Rhamdhani đánh giá: “Chúng ta đang chứng kiến sự quan tâm ngày càng lớn đến lĩnh vực này trên toàn cầu khi nhân loại ngày một nghiêm túc hơn với việc khám phá Sao Hỏa. Để thực hiện, chúng ta sẽ cần đến chuyên gia từ nhiều lĩnh vực - khai khoáng, kỹ thuật, địa chất và nhiều hơn thế nữa”.

Với tiến sĩ Nababan, lợi ích không chỉ dừng lại ở khám phá không gian. Ông hy vọng nghiên cứu này cũng sẽ thúc đẩy ngành luyện kim trên Trái đất trở nên hiệu quả hơn. Tiến sĩ Nababan chia sẻ: “Bằng việc thực hiện nghiên cứu này, tôi mong có thể đóng góp cho sự phát triển của thám hiểm vũ trụ và cuối cùng mang lại lợi ích cho cuộc sống con người ngay tại Trái đất”.

Bùi Tú