Giới khoa học tạo được oxy trong môi trường sao Hỏa

Năm 2021, chính NASA đã đạt được điều mà các nhà văn khoa học viễn tưởng đã mơ ước trong nhiều thập kỷ: Tạo ra oxy trên sao Hỏa. Một thiết bị cỡ vi sóng được gắn vào robot tự hành Perseverance của NASA đã chuyển đổi carbon dioxide (CO2) thành oxy thở trong 10 phút.

Giờ đây, các nhà vật lý quốc tế cho biết họ đã nghĩ ra cách sử dụng chùm tia điện tử trong lò phản ứng plasma để tạo ra nhiều oxy hơn, mở ra con đường định cư trong không gian tốt hơn.

Một trong những trở ngại chính cản đường lên sao Hỏa là tình trạng thiếu oxy trên Hành tinh Đỏ. Tuy nhiên, các nhà khoa học đã phát minh ra một kỹ thuật mới dựa trên plasma để sản xuất và tách oxy trong môi trường sao Hỏa.

Kỹ thuật này không chỉ đóng vai trò quan trọng trong việc phát triển các hệ thống hỗ trợ sự sống mà còn có thể được sử dụng để xử lý nhiên liệu, tạo ra vật liệu xây dựng và phân bón trên sao Hỏa.

Khi robot tự hành Perseverance của NASA hạ cánh xuống miệng núi lửa Jezero trên sao Hỏa vào năm 2020, nó mang theo Thí nghiệm sử dụng tài nguyên oxy tại chỗ trên sao Hỏa (MOXIE). Thiết bị này hút không khí sao Hỏa, 95% là carbon dioxide (CO2). Bằng cách bơm dòng điện giữa hai điện cực tích điện trái dấu trong một bình điện hóa, MOXIE có thể phân tách carbon dioxide (CO2) thành carbon monoxide (CO) và các ion oxy. Các ion oxy sau đó kết hợp với nhau để tạo ra khí oxy.

Thử nghiệm này đã chứng minh thành công lý thuyết tại oxy trên sao Hỏa của NASA. Nhưng để hoạt động hiệu quả hơn, MOXIE cần phải tạo áp suất và làm nóng không khí trên sao Hỏa — đòi hỏi các bộ phận phụ tiêu thụ năng lượng và khiến nó trở nên cồng kềnh hơn.

Tiến sĩ, nhà vật lý học Vasco Guerra thuộc Đại học Lisbon (Bồ Đào Nha) Vasco Guerra, nghĩ rằng một lò phản ứng plasma có thể là một cách tiếp cận tốt hơn. Một chùm electron, được tăng tốc đến một mức năng lượng cụ thể, có thể phân tách carbon dioxide (CO2) thành các ion thành phần của nó, hoặc plasma, giống như MOXIE đã làm.

Hơn nữa, một lò phản ứng plasma sẽ rất phù hợp với bầu khí quyển sao Hỏa - mỏng hơn Trái đất khoảng 100 lần. TS Guerra nói: Tạo và tăng tốc một chùm electron trong không khí loãng sẽ dễ dàng hơn rất nhiều. Vũ trụ có một áp suất lý tưởng cho hoạt động của plasma và sao Hỏa có áp suất chính xác này.

Trong phòng thí nghiệm, ông và các đồng nghiệp đã bơm không khí được thiết kế để phù hợp với áp suất và thành phần của sao Hỏa vào các ống kim loại. Không giống như MOXIE, chúng không cần nén hoặc làm nóng không khí. Tuy nhiên, bằng cách bắn một chùm điện tử vào buồng phản ứng, chúng có thể chuyển khoảng 30% không khí thành oxy. Họ ước tính rằng thiết bị này có thể tạo ra khoảng 14 gam oxy mỗi giờ: Lượng oxy đủ để hỗ trợ 28 phút thở, nhóm nghiên cứu báo cáo trên Tạp chí Vật lý Ứng dụng.

Đội của TS Guerra vẫn cần giải quyết một số vấn đề thực tế nữa. Để hoạt động trên sao Hỏa, thiết bị plasma sẽ cần một nguồn điện di động và một nơi để lưu trữ oxy mà nó tạo ra, tất cả đều có thể khiến nó - nếu không muốn nói là cồng kềnh hơn MOXIE.

Nếu các cơ quan vũ trụ trên thế giới sẵn sàng chi hàng triệu đô la để phát triển nó - như NASA đã làm với MOXIE - thì phương pháp tiếp cận plasma có thể phát triển.

Theo các nhà khoa học, bầu khí quyển của sao Hỏa chủ yếu được tạo thành từ carbon dioxide (CO2), có thể được tách ra để tạo ra oxy và carbon.

Tuy nhiên, theo các nhà nghiên cứu từ Đại học Lisbon (Bồ Đào Nha), Viện Công nghệ Massachusetts (Mỹ), Đại học Sorbonne (Pháp), Đại học Công nghệ Eindhoven (Hà Lan) và Viện Nghiên cứu Năng lượng Cơ bản Hà Lan, có HAI RÀO CẢN LỚN cản trở quá trình sản xuất oxy trên sao Hỏa.

TS Vasco Guerra, một tác giả của nghiên cứu, cho biết: "Đầu tiên, là quá trình phân hủy các phân tử carbon dioxide (CO2) để chiết xuất oxy. Đó là một phân tử rất khó bị phá vỡ; Thứ hai, sự tách oxy được tạo ra từ một hỗn hợp khí chứa cả carbon dioxide (CO2) và carbon monoxide (CO)".

"Chúng tôi đang xem xét hai bước này một cách tổng thể để giải quyết cả hai thách thức cùng một lúc. Và khi đó plasmas có thể là phương án giải quyết 2 vấn đề này" - TS Vasco Guerra nói thêm.

Plasma là trạng thái tự nhiên thứ tư của vật chất, cùng với chất rắn, chất lỏng và chất khí. Nó chứa các hạt điện tích tự do như electron, nhẹ và dễ dàng tăng tốc lên năng lượng rất cao cùng với điện trường.

TS Guerra cho biết: "Khi các electron giống như viên đạn va chạm với một phân tử carbon dioxide (CO2), chúng có thể trực tiếp phân hủy nó hoặc truyền năng lượng để làm cho nó chuyển động nhanh. Ở mức độ lớn, năng lượng này có thể được chuyển hóa thành quá trình phân hủy (CO2).

Cùng với các đồng nghiệp của chúng tôi ở Pháp và Hà Lan, chúng tôi đã thực nghiệm chứng minh tính đúng đắn của những lý thuyết này. Hơn nữa, nhiệt tạo ra trong plasma cũng có lợi cho việc tách oxy".

Một ngày nào đó, kỹ thuật này có thể không chỉ giúp các phi hành gia thở được trên Hành tinh Đỏ mà còn có thể dùng như một cách để tạo ra nhiên liệu và phân bón, Michael Hecht, một nhà khoa học thực nghiệm tại Viện Công nghệ Massachusetts (Mỹ), cho biết.

Cụ thể, oxy được tạo ra thông qua kỹ thuật dựa trên plasma này có thể là chìa khóa để tạo ra một môi trường thoáng khí cho những người định cư trên sao Hỏa. Nó cũng có thể được sử dụng như một điểm khởi đầu để sản xuất nhiên liệu và phân bón, cho phép những người định cư trồng trọt trên bề mặt sao Hỏa.

Ngoài ra, kỹ thuật này có thể tỏ ra hữu ích ngay trên Trái Đất, theo các nhà nghiên cứu.

Các nhà khoa học cho biết thêm, bằng cách phân tách các phân tử CO2 để tạo ra nhiên liệu xanh và tái chế hóa chất, công nghệ plasma cũng có thể hỗ trợ giải quyết vấn đề biến đổi khí hậu trên Trái Đất.

Nghiên cứu này được thực hiện trước sứ mệnh Artemis I của NASA, dự kiến khởi động vào ngày 29/8/2022, mở đường cho các sứ mệnh lên Mặt Trăng và sao Hỏa trong tương lai.

NASA giải thích: "Sứ mệnh Artemis I sẽ là một chuyến bay rất cần thiết đối với con người, nó cung cấp nền tảng cho hoạt động khám phá không gian sâu của con người, đồng thời thể hiện cam kết và khả năng của chúng ta trong việc mở rộng sự tồn tại vĩnh viễn của con người trên Mặt Trăng và không gian sâu hơn thế nữa.

Nếu các sứ mệnh Artemis I, II, III thành công [với sứ mệnh Artemis III đưa người đặt chân lên sao Hỏa năm 2025], NASA đặt mục tiêu phóng phi hành gia lên sao Hỏa vào cuối những năm 2030 hoặc đầu những năm 2040.