Các nhà khoa học chứng minh rằng có thể tách nước thành oxy và hydro trong vũ trụ, vừa tạo được không khí hô hấp vừa có được nhiên liệu chạy tàu

Đây chính là chìa khóa cho việc du hành không gian trong thời gian dài.

Bài viết dựa theo bài đăng trên The Conversation của Charles W. Dunnill, giáo sư gạo cội trong ngành Năng lượng, hiện đang giảng dạy tại Đại học Swansea.

Kế hoạch lên Sao Hỏa trong vài năm tới đã được nhiều cơ quan vũ trụ vạch ra và sẽ không chỉ lên đó thăm thú, kế hoạch này bao gồm việc định cư trên Hành tinh Đỏ. Chưa hết, ta ngày càng phát hiện ra thêm những hành tinh giống Trái Đất gần với Hệ Mặt Trời, điều đó càng khiến việc du hành không gian càng thêm phần lôi cuốn.

Tuy nhiên, lôi cuốn đến mấy thì việc này vẫn gặp rất nhiều trở ngại về công nghệ cũng như những khó khăn đến từ chính giới hạn của cơ thể người. Một trong những thử thách khó nhằn nhất: ta không đủ oxy để các phi hành gia thở khi đi quá xa và không đủ nhiên liệu để vận hành tàu trong những chuyến du hành mất nhiều năm mới tới được nơi. Trong vũ trụ không có không khí mà khi tàu đã đi quá xa, ta không thể tiếp nhiên liệu, oxy giữa đường được.

Nhưng nghiên cứu mới được đăng tải trên tạp chí Nature này sẽ mở ra một lối đi mới cho chúng ta! Ta có thể tạo ra hydro để làm nhiên liệu, tạo ra oxy để hô hấp chỉ từ nước! Sử dụng một vật liệu bán dẫn và ánh sáng Mặt Trời (hay ánh sáng từ bất cứ sao nào), ta có thể tạo nên hai thứ thiết yếu trên trong môi trường không trọng lực.

Mặt Trời ban ánh sáng cho Trái Đất, và thứ ánh sáng ấy cũng chính là năng lượng, nhưng ta vẫn chưa thể tận dụng triệt để nguồn năng lượng dồi dào (gần như) vô tận này. Trong những bước đầu, ta đang hạn chế sử dụng nhiên liệu hóa thạch, các nhà khoa học đang hướng tới sử dụng hydro như một nguồn nhiên liệu thay thế.

Cách tốt nhất để làm điều này là phân tách nước – H2O ra hydro và oxy. Thông qua quá trình điện phân: đưa một dòng điện qua nước chứa chất điện phân, nước sẽ bị phân ra thành oxy và hydro.

Hydro và oxy có được qua quá trình điện phân có thể được dùng làm nhiên liệu cho tàu vũ trụ. Lợi ích chưa dừng lại ở đó. Khi phóng một con tàu vũ trụ bằng nước, quy trình này hiển nhiên là an toàn hơn một con tàu chứa đầy nguyên liệu dễ cháy và oxy. Khi lên được tới vũ trụ, thiết bị điện phân sẽ phân tách nước thành hydro và oxy: vừa duy trì sự sống, vừa duy trì hoạt động của tàu.

Có hai cách thức thực hiện.

Đầu tiên sẽ là điện phân như cách ta làm trên Trái Đất đây, dùng chất điện phân và các khối pin năng lượng Mặt Trời để lấy ánh nắng, biến nó thành dòng điện cho quá trình điện phân.

Cách thứ hai có tên là "photo catalyst – quang xúc tác". Thiết bị sẽ hấp thụ photon, đưa và chất bán dẫn nằm chìm trong nước. Các electron trong chất bán dẫn sẽ hút năng lượng từ photon, phóng ra và để lại lỗ hổng. Những electron thoát ra này sẽ tương tác với proton trong hạt nhân của một nguyên tử nước và tạo nên hydrogen. Lỗ hổng mà electron để lại có thể hút electron từ nước để tạo nên proton và oxy.

Quang xúc tác tạo ra khí hydro từ nước.

Quá trình quang xúc tác có thể được đảo ngược. Dùng pin nhiên liệu, có thể kết hợp oxy và hydro lại tạo thành năng lượng, năng lượng này sẽ dùng để vận hành các thiết bị. Phụ phẩm của quá trình quang xúc tác ngược sẽ chỉ là nước, đồng nghĩa với việc nước có thể tái chế được. Đây chính là chìa khóa quan trọng trong du hành không gian với khoảng cách lớn.

Cách thức quang xúc tác đang là ứng cử viên sáng giá nhất trong du hành vũ trụ, khi mà các thiết bị cần cho quá trình này cũng gọn nhẹ hơn nhiều việc điện phân. Trên lý thuyết, quá trình này trên Vũ trụ nó còn diễn ra dễ dàng hơn nữa, khi mà sức mạnh từ ánh sáng Mặt Trời mạnh hơn nhiều khi không có bầu khí quyển của Trái Đất che chắn bớt.

Trước hết, phải xử lý được những bong bóng xuất hiện trong nước.

Trong nghiên cứu mới, các nhà nghiên cứu thả bộ thiết bị quang xúc tác xuống từ đỉnh tháp cao 120 mét, tạo ra một môi trường tương tự vi trọng lực. Khi một vật thể rơi tự do, tác động của lực hấp dẫn sẽ bị lực khi rơi xóa bỏ gần hết. Và khi thử nghiệm, họ thấy rằng hoàn toàn có thể phân tách nước trong môi trường này. Tuy nhiên, họ gặp phải một chướng ngại vật: khi tách nước thành khí, bong bóng sẽ hình thành. Bong bóng sẽ cản trở quá trình tạo khí ga mới, vậy nên phải triệt tiêu được bong bóng để có được hệ thống hiệu quả nhất.

Phi hành gia Kate Rubins của NASA đang làm việc với bể thuộc Hệ thống Sạc Nitro/Oxy trên trạm ISS.

Trong điều kiện của Trái Đất, lực hấp dẫn khiến cho bong bóng tự động nổi lên trên bề mặt, để lòng nước có vô số chỗ trống để tạo khí ga. Nhưng trong môi trường không trọng lực, bong bóng sẽ luôn bám quanh chất xúc tác. Các nhà nghiên cứu điều chỉnh chất xúc tác ở mức độ nano, tạo ra những vùng có hình dáng kim tự tháp để bong bóng dễ thoát ra, bơi ra xa khỏi chất xúc tác.

Nhưng vẫn còn một khó khăn khác trong môi trường không trọng lực: bong bóng vẫn nằm lại trong dung dịch nước, dù có thoát ra xa khỏi chất xúc tác đi chăng nữa.

Lực hấp dẫn cho phép khí ga thoát khỏi dung dịch một cách dễ dàng, tạo ra được oxy và hydro nguyên chất. Nhưng nếu không có lực hấp dẫn, khí ga sẽ tạo thành bọt. Hiệu quả của quá trình tách oxy, hydro khỏi nước sẽ không còn hiệu quả.

Phải tạo ra được những cách hạn chế hiệu quả để hệ thống này hoạt động trơn tru trong môi trường vũ trụ. Đã có những đề xuất sử dụng lực ly tâm từ chính con tàu vũ trụ để tách khí ga khỏi dung dịch.

Chặng đường để con người chinh phục vũ trụ vẫn còn dài. Nhưng đừng lo, ta đang tiến những bước cực kì vững chắc đến tương lai ấy rồi. Chậm nhưng mà chắc phải không? Cảm ơn các nhà nghiên cứu đã đưa nhân loại gần hơn với ngày con người làm bá chủ những vì sao.