Khám phá đi vào lịch sử: Bề mặt Mặt trăng có đủ oxy cho 8 tỷ người sống trong 100.000 năm

Cùng với những tiến bộ trong khám phá không gian, gần đây nhân loại đã dành nhiều thời gian và tiền bạc đầu tư vào các công nghệ có thể cho phép sử dụng tài nguyên không gian một cách hiệu quả. 

Đi đầu trong những nỗ lực này là khám phá có thể đi vào lịch sử nhân loại khi người Trái đất có thể khai thác oxy trên Mặt trăng - Điều đáng nói, oxy đó không đến từ bầu khí quyển của vệ tinh này mà nó đến từ... mặt đất!

Oxy trên Mặt trăng

Vào tháng 10/2021, Cơ quan Vũ trụ Úc và Cơ quan Hàng không Vũ trụ Mỹ (NASA) đã ký một thỏa thuận để phóng một tàu thám hiểm do Úc sản xuất lên Mặt trăng theo Chương trình Artemis của Mỹ, với mục tiêu thu thập các loại đá Mặt trăng nhằm tìm ra loại đá có thể cung cấp (chiết xuất) oxy để thở 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 sự sống cho các động vật có vú phụ thuộc vào oxy như con người.

Thực tế, có rất nhiều oxy trên Mặt trăng. Nó chỉ không ở dạng khí. Thay vào đó, nó bị mắc kẹt bên trong regolith - lớp đá và bụi mịn bao phủ bề mặt Mặt trăng.

Nếu chúng ta có thể chiết xuất oxy từ regolith, liệu nó có đủ để hỗ trợ sự sống của con người trên Mặt trăng không?

Oxy có thể được tìm thấy trong nhiều khoáng chất trong lòng đất xung quanh chúng ta. Và Mặt trăng chủ yếu được tạo nên từ những loại đá giống như bạn sẽ tìm thấy trên Trái đất (mặc dù với một lượng lớn hơn một chút vật chất đến từ thiên thạch).

Các khoáng chất như silica, nhôm, oxit sắt và 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 chúng ta có thể tiếp cận.

Regolith là kết quả của tác động mạnh từ các thiên thạch đâm vào bề mặt Mặt Trăng trong vô số thiên niên kỷ. (Ảnh: NASA/JPL).

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 mạnh từ các thiên thạch đâm vào bề mặt Mặt Trăng trong vô số thiên niên kỷ.

Một số người gọi lớp bề mặt Mặt trăng là "đất", nhưng một số nhà khoa học do dự khi sử dụng thuật ngữ này. Đất như chúng ta biết nó là thứ khá kỳ diệu chỉ xảy ra trên Trái đất. Nó đã được tạo ra bởi một loạt các sinh vật làm việc trên vật liệu "mẹ của đất - regolith", có nguồn gốc từ đá cứng - trong hàng triệu năm.

Kết quả là tạo ra một ma trận các khoáng chất không có trong đá ban đầu. Đất của Trái đất có các đặc điểm vật lý, hóa học và sinh học đáng chú ý. Trong khi đó, các vật chất trên bề mặt Mặt trăng về cơ bản là nguyên sinh ở dạng ban đầu, nguyên sơ.

Tách oxy trên Mặt trăng như thế nào?

Regolith của 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 nỗ lực.

Bạn có thể quen với điều này nếu bạn biết về 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 chạy qua một dạng lỏng của nhôm oxit (thường được gọi là alumin) qua các điện cực, để tách nhôm ra khỏi oxy. Trong trường hợp này, oxy được tạo ra như một sản phẩm phụ. 

Có nhiều nhà máy tinh luyện alumin (ôxít nhôm) ở Úc, bao gồm cả nhà máy này trong hình ở Gladstone, Queensland. Nhôm được sản xuất trong hai giai đoạn. Trước khi nhôm nguyên chất có thể được sản xuất bằng cách sử dụng điện phân (trong quy trình Hall-Heroult), các nhà máy tinh luyện alumin trước tiên phải tinh chế quặng bauxit trong tự nhiên để chiết xuất alumin (từ đó nhôm nguyên chất sau này được lấy lại). (Ảnh: Dave Hunt / AAP).

Trên Mặt Trăng, oxy sẽ là sản phẩm chính và nhôm (hoặc kim loại khác) được chiết xuất sẽ là một sản phẩm phụ có khả năng hữu ích.

Đó là một quá trình khá đơn giản, nhưng có một điểm khó khăn: Nó rất đói năng lượng. Để bền vững, nó 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 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.

Ảnh minh họa về công nghệ sử dụng tài nguyên tại chỗ (ISRU) trên Mặt trăng. (Nguồn: ESA – K. Oldenburg).

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 2021, công ty khởi nghiệp Dịch vụ ứng dụng không gian có trụ sở tại Bỉ thông báo đang xây dựng 3 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).

Exploration.esa.int thông tin, ESA hiện đang chuẩn bị một sứ mệnh trên bề mặt Mặt trăng để chứng minh các công nghệ cần thiết để cho phép sử dụng tài nguyên tại chỗ (ISRU) trên Mặt trăng. Mục tiêu của sứ mệnh ISRU này là đến năm 2025, việc sản xuất nước hoặc oxy trên Mặt Trăng là khả thi.

Các quy trình và kỹ thuật khác nhau đã được phát triển để chiết xuất oxy liên kết hóa học từ regolith Mặt trăng. Các sản phẩm khác của các quá trình này là kim loại và hợp kim cuối cùng vẫn có thể được sử dụng để sản xuất thứ khác.

Mặt trăng có bao nhiêu oxy?

Nếu công nghệ chiết xuất oxy của Trái đất được mang lên Mặt trăng thành công thì đó sẽ là cuộc cách mạng trong khám phá vũ trụ của loài người, vì khi đó, Mặt trăng thực sự có thể mang lại khí thở cho con người.

Nếu vậy, Mặt trăng có bao nhiêu oxy?

Nếu chúng ta bỏ qua oxy bị ràng buộc trong vật liệu đá cứng sâu hơn của Mặt trăng - và chỉ xem xét chiết xuất regolith có thể dễ dàng tiếp cận trên bề mặt - chúng ta có thể đưa ra một số ước tính.

Mỗi mét khối của Mặt trăng trung bình chứa 1,4 tấn khoáng chất, trong đó có 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 giữ cho một người sống trong khoảng 2 năm (hoặc hơn).

Bây giờ, nếu 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 để hỗ trợ tất cả 8 tỷ người trên Trái đất trong khoảng 100.000 năm tới.

Con số này quá tuyệt vời!

Điều này cũng phụ thuộc vào cách chúng ta quản lý hiệu quả để khai thác và sử dụng oxy trên Mặt trăng.

• NASA chụp được "hình ảnh tương lai" về Mặt trời phát nổ và chết
• "Hệ Mặt trời" kỳ lạ nhất vũ trụ: Các hành tinh quay... vuông góc
• Tàu vũ trụ tiết lộ bí ẩn của bầu khí quyển sao Mộc