Thách thức khai thác oxy từ 'đất' Mặt trăng, nguồn đủ dùng cho 16 tỉ người

Cùng với những tiến bộ trong khám phá không gian, gần đây chúng ta đã chứng kiến nhiều thời gian và tiền bạc được đầu tư vào các công nghệ có thể cho phép sử dụng tài nguyên vũ trụ một cách hiệu quả. Đi đầu trong những nỗ lực này là sự tập trung sắc bén như tia laser vào việc tìm ra cách tốt nhất để sản xuất oxy trên Mặt trăng, nơi dự trữ lượng oxy đủ dùng cho 16 tỉ người trong 50.000 năm!

Tháng 10/2021, Cơ quan Vũ trụ Australia và Cơ quan Hàng không Vũ trụ Mỹ (NASA) đã ký một thỏa thuận về đưa tàu thám hiểm do Australia sản xuất lên Mặt trăng theo chương trình Artemis, với mục tiêu thu thập các loại đá Mặt trăng, vật liệu có thể dẫn đến cung cấp oxy thở được trên Mặt trăng.

Mặc dù Mặt trăng có bầu khí quyển, nhưng nó rất mỏng và được cấu tạo chủ yếu bởi hydro, neon và argon. Nó không phải là loại hỗn hợp khí có thể duy trì các động vật có vú phụ thuộc vào oxy như con người.

Nhưng các nhà khoa học cho rằng, thực sự có rất nhiều oxy trên Mặt trăng. Nó chỉ không ở dạng khí. Thay vào đó, oxy bị mắc kẹt bên trong regolith - lớp đá và bụi mịn bao phủ bề mặt Mặt trăng. Và nếu chúng ta có thể chiết xuất oxy từ regolith, câu hỏi đặt ra là nó có đủ để hỗ trợ sự sống của con người trên vệ tinh tự nhiên duy nhất của Trái đất không.

Regolith - kho oxy khổng lồ

Oxy có thể được tìm thấy trong nhiều khoáng chất dưới lòng đất xung quanh chúng ta. Và Mặt trăng chủ yếu được tạo ra từ những loại đá giống như trên Trái đất.

Các khoáng chất như silica, nhôm, sắt và oxit magiê chiếm ưu thế trong cảnh quan của Mặt trăng. Tất cả các khoáng chất này đều chứa oxy, nhưng không phải ở dạng mà phổi của con người có thể hấp thụ.

Trên Mặt Trăng, những khoáng chất này tồn tại ở một số dạng khác nhau bao gồm đá cứng, bụi, sỏi và đá phủ trên bề mặt. Vật liệu này là kết quả của tác động từ các thiên thạch đâm vào bề mặt Mặt Trăng trong vô số thiên niên kỷ.

Vết chân của nhà du hành Buzz Aldrin trong lần đổ bộ Mặt trăng với sứ mạng Apollo 11 vào tháng 7/1969. Ảnh: NASA 

Một số người gọi lớp bề mặt Mặt trăng là "đất", nhưng các nhà khoa học lại do dự khi sử dụng thuật ngữ này. Đất như chúng ta biết là thứ kỳ diệu chỉ thấy trên Trái đất. Nó được tạo ra nhờ vô số sinh vật sinh sống trên “vật liệu mẹ của đất” là regolith, vốn có nguồn gốc từ đá cứng, trong hàng triệu năm. Kết quả là tạo ra rất nhiều loại khoáng chất không có trong đá nguyên sơ.

Đất của Trái đất có các đặc điểm vật lý, hóa học và sinh học đáng chú ý. Trong khi đó, vật chất trên bề mặt Mặt trăng về cơ bản vẫn là nguyên sinh ở dạng ban đầu, nguyên sơ.

Regolith trên Mặt trăng được tạo thành từ khoảng 45% oxy. Nhưng oxy đó liên kết chặt chẽ với các khoáng chất nói trên. Để phá vỡ những liên kết bền chặt đó, chúng ta cần phải dùng đến năng lượng, thông qua quá trình điện phân. 

Trên Trái đất, quá trình này thường được sử dụng trong sản xuất, chẳng hạn như sản xuất nhôm. Một dòng điện được cho chạy qua một dạng lỏng của nhôm oxit (thường được gọi là alumin) thông qua các điện cực, để tách nhôm ra khỏi oxy.

Trong trường hợp này, oxy được tạo ra như một sản phẩm phụ. Còn trên Mặt trăng, oxy sẽ là sản phẩm chính và nhôm (hoặc kim loại khác) được chiết xuất sẽ là một sản phẩm phụ hữu ích.

Đó là một quá trình khá đơn giản, nhưng có một điểm khó khăn: nó tốn rất nhiều năng lượng. Để thực hiện bền vững, quá trình này cần được hỗ trợ bởi năng lượng Mặt trời hoặc các nguồn năng lượng khác có sẵn trên Mặt trăng.

Việc khai thác oxy từ regolith cũng sẽ yêu cầu những thiết bị công nghiệp đáng kể. Trước tiên, chúng ta cần chuyển oxit kim loại rắn thành dạng lỏng, bằng cách tác dụng nhiệt hoặc kết hợp nhiệt với dung môi hoặc chất điện phân. Chúng ta có công nghệ để làm điều này trên Trái đất, nhưng việc di chuyển bộ máy này lên Mặt trăng - và tạo ra đủ năng lượng để vận hành nó - sẽ là một thách thức lớn.

Đầu năm nay, công ty khởi nghiệp Dịch vụ Ứng dụng Vũ trụ có trụ sở tại Bỉ thông báo đang xây dựng ba lò phản ứng thử nghiệm để cải thiện quá trình tạo oxy thông qua điện phân. Họ dự kiến sẽ đưa công nghệ lên Mặt trăng vào năm 2025 trong khuôn khổ sứ mệnh sử dụng tài nguyên tại chỗ (ISRU) của Cơ quan Vũ trụ Châu Âu (ESA).

Mặt trăng có thể cung cấp bao nhiêu oxy?

Nguồn oxy có thể tách từ regolith nói lên rằng, khi chúng ta tìm cách thì Mặt trăng có thể cung cấp oxy. Và hóa ra là với khối lượng thực sự đáng kể.

Nếu bỏ qua oxy gắn trong lớp vậtliệu đá cứng nằm sâu hơn của Mặt trăng, và chỉ xem xét ở lớp regolith có thể dễ dàng tiếp cận trên bề mặt, chúng ta có thể đưa ra một số ước tính.

Mỗi mét khối “đất” Mặt trăng trung bình chứa 1,4 tấn khoáng chất, bao gồm khoảng 630 kg oxy. NASA cho biết con người cần hít thở khoảng 800 gam oxy mỗi ngày để tồn tại. Vì vậy, 630 kg oxy sẽ đủ cho một người sống trong khoảng hai năm.

Giả sử độ sâu trung bình của regolith trên Mặt trăng là khoảng 10 mét và chúng ta có thể chiết xuất tất cả oxy từ đó. Điều đó có nghĩa là 10 mét trên cùng của bề mặt Mặt trăng sẽ cung cấp đủ oxy cho 8 tỉ người trên Trái đất trong khoảng 100.000 năm tới, hay 16 tỉ người trong 50.000 năm.

Điều này cũng phụ thuộc vào cách chúng ta quản lý hiệu quả để khai thác và sử dụng oxy. Nhưng dù thế nào, đó cũng là một con số tuyệt vời.

Tuy nhiên, chúng ta đang có khá nhiều oxy ở đây, ngay trên Trái đất. Và ta nên làm mọi thứ có thể để bảo vệ "hành tinh Xanh", và đặc biệt là lớp đất của nó để tiếp tục hỗ trợ tất cả các sự sống.