Bề mặt Mặt trăng có đủ ôxy cho 8 tỷ người sống trong 100.000 năm

[trungthuc]

Cùng với những tiến bộ trong khám phá không gian, gần đây nhân loại đã dành nhiều thời gian và tiền bạc để 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 ôxy trên Mặt trăng. Điều đáng nói ở đây, khí ôxy không đến từ bầu khí quyển của hành tinh này mà nó đến từ... mặt đất!

ÔXY TRÊN MẶT TRĂNG

Vào tháng 10/2021, Cơ quan Vũ trụ của 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 và chiết xuất ôxy 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 ôxy như con người.

Thực tế, có rất nhiều ôxy 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 ôxy từ regolith, liệu nó có đủ để hỗ trợ sự sống của con người trên Mặt trăng không?

ôxy có thể được tìm thấy trong nhiều khoáng chất trong lòng đất chung 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 magnesium chiếm ưu thế trong tài nguyên của Mặt trăng. Tất cả các khoáng chất này đều chứa ôxy, tuy nhiên không phải ở dạng mà phổi của chúng ta có thể tiếp nhận được.

Regolith là kết quả của tác động mạnh từ các thiên thạch đâm vào bề mặt Mặt Trăng trong hàng triệu thiên niên kỷ qua. (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 hàng triệu thiên niên kỷ qua.

Một số người gọi lớp bề mặt Mặt trăng là "đất", nhưng một số khoa học gia 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 qua.

Kết quả là tạo ra một ma trận các khoáng chất không có trong lớp 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 căn bản là nguyên sinh ở dạng nguyên sơ ban đầu.

LÀM SAO ĐỂ TÁCH ÔXY TRÊN MẶT TRĂNG?

Regolith của Mặt trăng có cấu tạo khoảng 45% ôxy. Nhưng ôxy 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 thực hiện qua nhiều công đoạn với quá trình khá phức tạp.

Trên Trái Đất, quá trình này thường được sử dụng trong sản xuất, chẳng hạn như sản xuất ra nhôm. Một dòng điện được chạy qua một dạng lỏng của nhôm oxit (thường được gọi là aluminum) qua các điện cực, để tách nhôm ra khỏi ôxy. Trong trường hợp này, ôxy được tạo ra như một sản phẩm phụ.

Có nhiều nhà máy tinh luyện aluminum (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 aluminum trước tiên phải tinh chế quặng bauxit trong tự nhiên để chiết xuất aluminum (từ đó nhôm nguyên chất sau này được lấy lại). (Ảnh: Dave Hunt / AFP)

Trên Mặt Trăng, ôxy 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 ôxy từ regolith cũng sẽ yêu cầu cao về thiết bị công nghiệp. Trước tiên, chúng ta cần chuyển oxit kim loại rắn thành dạng lỏng, bằng cách tác dụng với 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 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 ôxy thông qua điện phân. Họ dự kiến ​​sẽ đưa công nghệ lên Mặt trăng vào năm 2025 trong khuôn khổ Sứ mạng Sử dụng Tài nguyên Tại chỗ (ISRU) của Cơ quan Vũ trụ Châu Âu (ESA).

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

Các quy trình và kỹ thuật khác nhau đã được phát triển để chiết xuất ôxy liên kết hóa học từ regolith của 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 NHIỀU KHÍ ÔXY?

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

Mỗi mét khối của Mặt Trăng trung bình chứa 1,4 tấn khoáng chất, trong đó có khoảng 630 kg ôxy. NASA cho biết, con người cần hít thở khoảng 800 g ôxy mỗi ngày để có thể tồn tại. Vì vậy, 630 kg ôxy 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 ôxy từ đó. Điều đó có nghĩa là 10 mét trên cùng của bề mặt Mặt trăng sẽ cung cấp đủ ôxy để hỗ trợ tất cả 8 tỷ người trên Trái Đất trong khoảng 100.000 năm tới.
Con số này quá là tuyệt vời!

Điều này cũng phụ thuộc vào cách mà chúng ta kiểm soát hiệu quả để khai thác và sử dụng ôxy trên Mặt trăng.

Nguồn: The Conversation, ESA