Tham vọng tạo ra nước trên sao Hỏa của NASA

• Cuộc chạy đua lên Sao Hỏa tăng tốc
• "Làng Sao Hỏa" và giấc mơ không gian
• Viện sĩ Nga tính di dân lên Sao Hoả giữa lúc COVID-19 hoành hành

4 câu hỏi mở về sao Hỏa

NASA đã khởi động xe tự hành Perseverance trong chặng bay 1 chiều đến bề mặt hành tinh Đỏ. Nằm trong số nhiều dụng cụ đi kèm chuyến bay, cỗ xe này mang theo một dụng cụ thử nghiệm mà có thể giúp cho các phi hành gia vũ trụ trong tương lai thực hiện các chuyến bay khứ hồi lên sao Hỏa.

Theo đó, Thử nghiệm sử dụng tài nguyên nước trong ô xy sao Hỏa (viết tắt MOXIE) là một dụng cụ kích thước nhỏ bằng cỡ cục pin xe hơi. Nó được thiết kế nhằm minh họa cho loại công nghệ có thể chuyển đổi carbon dioxide thành ô xy trong một quá trình được gọi là điện phân. Lớp khí quyển mỏng manh của Hỏa tinh chiếm 95% carbon dioxide, và việc gửi bất kỳ thứ gì bay ngược lại vũ trụ đòi hỏi phải dùng nhiên liệu, mà đốt cháy nhiên liệu lại phải cần ô xy.

NASA có thể chở ô xy lỏng lên sao Hỏa, nhưng dung tích cần mang theo mới là vấn đề gây tranh cãi. Và MOXIE có thể là một giải pháp hiệu quả. Nếu thành công, một phiên bản công nghệ tạo khí ô xy quy mô lớn của MOXIE có thể được sử dụng để phóng tên lửa.

Ông Michael Hecht, phó giáo sư phụ trách MOXIE tại MIT, cho hay rằng kể từ thập niên 1990, những cuộc thảo luận về thám hiểm sao Hỏa luôn quay lại một danh sách gồm 4 câu hỏi mở. Hai vòng quay xung quanh chứng minh sao Hỏa đủ an toàn cho các sứ mạng con người, và lớp khí quyển trần trụi của hành tinh Đỏ đe dọa bất kỳ thứ gì trên bề mặt nó với các cơn bão bụi và bức xạ. 

Sứ mạng tàu vũ trụ Mars Odyssey 2001 đã đo bức xạ trên và khắp hành tinh Đỏ kịp thời thông báo cách thức tạo khiên che chắn cho các phi hành gia. Sau năm 2007, tàu đổ bộ Phoenix đã lập hồ sơ thành phần hóa học và bụi của sao Hỏa, đồng thời phát hiện ra các chất dinh dưỡng có thể hỗ trợ cho cây cối trên trái đất. Một câu hỏi khác là làm thế nào để các cỗ xe lớn có thể hạ cánh trên bề mặt sao Hỏa.

Mối bận tâm đó đã được xử lý khi 4 cỗ xe tự hành của NASA đã hạ cánh an toàn trên hành tinh Đỏ từ giữa năm 1996 và năm 2011. Vẫn còn lúng túng là câu hỏi thứ 4: làm thế nào chúng ta có thể mang tất cả nguồn lực thiết yếu lên sao Hỏa? Theo PGS Michael Hecht thì nguồn lực lớn nhất đó là một chất đẩy cần thiết cho một chuyến bay hồi gia. PGS Hecht giải thích: "Thứ mà quý vị cần quan sát là một tên lửa từ trái đất phóng đi. Cần một cái bể ô xy khổng lồ để nhấc con tàu lên trên".

Cỗ máy trị giá 2 tỷ USA của NASA

MOXIE chỉ là một công cụ trên cỗ xe tự hành Perseverance trị giá 2 tỷ USD; con tàu này cũng bao gồm máy bay trực thăng sao Hỏa, và cả SHERLOC (một dạng laser cực tím để quét mọi dấu hiệu sự sống trên hành tinh lạ). Dù MOXIE được mạ vàng nhưng kích thước của nó là khá khiêm tốn cho một sứ mạng mang tầm tham vọng. Lớp vỏ bọc thử nghiệm là một cái hộp hình lập phương, mỗi chiều dài 0,3m.

Ngay trong cái vỏ bọc gọn gàng này là 1 cái máy nén, 1 bộ lọc và một cái ngăn gốm thử nghiệm nơi sẽ diễn ra phản ứng điện phân. Mỗi nguyên tố phải được hoạt động chính xác. So với trái đất, bầu khí quyển trên sao Hỏa mỏng hơn 170 lần. Và dù không khí trên sao Hỏa rất giàu carbon dioxide, nhưng áp suất thấp cũng đồng nghĩa lượng không khí trôi vào lõi phản ứng của MOXIE sẽ không đủ để tạo ra ôxy.

Tuy vậy, cỗ máy nén của MOXIE lại hút carbon dioxide ở gần đó và biến nó làm "thức ăn" cho một đơn vị điện phân hao hao như áp suất trái đất. Tại đó sẽ có một chất xúc tác hoạt động ở nhiệt độ 800 độ C sẽ xé toạc nguyên tử ô xy từ mỗi CO2 bay đến. Mỗi cặp nguyên tử ôxy sẽ nhanh chóng sáp lại để tạo ra nhị nguyên tử ô xy ổn định, mà sẽ thoát ra với carbon monoxide.

Vì MOXIE chạy rất nóng nên giữ cho thiết bị an toàn và phần còn lại của các dụng cụ khác của Perservance lại đòi hỏi phải dùng công nghệ cách nhiệt cao. Sự phức tạp hơn nữa khi bản thân sao Hỏa là một hành tinh lạnh. Nó phải đấu tranh để giữ nhiệt ban ngày, vì vậy mà Perseverance phải chịu được nhiệt độ rất cao từ 15,5 độ C đến -130 độ C. Các kỹ sư của NASA đã sử dụng Aerogel (được phát triển từ một dự án khác) làm chất cách điện nhẹ và siêu bền.

Nhóm nghiên cứu đã sử dụng các bản sửa lỗi chẳng hạn như tuần hoàn carbon dioxide nhằm ngăn nó làm suy giảm điểm phản ứng, mà theo PGS Hecht, đây là "vấn đề nhọc nhằn nhất". NASA đã hoàn tất công việc phần cứng từ tháng 3 năm 2019. Kể từ khi tàu Perseverance không đổ bộ cho tới tận tháng 2 năm 2021, phần cứng của MOXIE sẽ nằm yên trong vòng 2 năm.

Bà Julie Kleinhenz, chuyên gia nguồn lực của NASA, người không tham gia vào việc phát triển ra MOXIE, nhưng cho rằng dụng cụ này sẽ đối mặt với những "nhân tố bí ẩn".

Kỹ sư Asad Aboobaker cũng đồng tình khi cho biết: "Môi trường độc đáo của sao Hỏa có thể chứa đựng nhiều sự lạ thường chẳng hạn như tác động của bụi. Trên sao Hỏa, thành công sẽ là một thứ gì đó không phổ biến".

MOXIE sẽ không lấp đầy các bể ô xy của nó mà thay vào đó các nhà khoa học sẽ theo dõi sự thành công bằng 3 phương pháp đo độc lập: cảm biến áp suất trong đường dẫn khí; phân tử huỳnh quang mờ dần khi vào môi trường ô xy; và dòng điện từ phản ứng. Perseverance cũng đem theo máy vi âm lên sao Hỏa - sứ mạng đầu tiên làm như thế. Các nhà khoa học lắng nghe âm thanh để hiểu tình trạng sức khỏe của máy nén.

MOXIE chỉ tạo ra đúng 6 gram ô xy/giờ bằng đúng nhịp thở của một con cún nhỏ. Nhân loại cần một ô xy lớn hơn thế để thở, và tên lửa cần lượng ô xy lớn gấp 200 lần để quay trở lại Trái đất. Đối với giới khoa học, 1 năm sao Hỏa là cái giá của sự thành công hay tương đương với 687 ngày trên trái đất và sẽ bật đèn xanh cho sứ mạng MOXIE vượt xa hơn nhịp thở của một con chó.