Vật liệu bí ẩn xây đô thị trên sao Hỏa

Quá đắt đỏ khi mang từ trái đất

Tầm nhìn về việc thiết lập các khu định cư trên Sao Hỏa đã thu hút trí tưởng tượng của các tỷ phú, các chương trình không gian của chính phủ và những người ủng hộ thám hiểm không gian.

Tuy nhiên, việc xây dựng những đô thị như vậy đòi hỏi một lượng lớn vật liệu, và việc vận chuyển tất cả từ Trái Đất là không khả thi. Để so sánh, việc đưa tàu thám hiểm Perseverance nặng một tấn của Cơ quan Vũ trụ Mỹ (NASA) lên Sao Hỏa tốn khoảng 243 triệu đô la Mỹ.

Rõ ràng, trừ khi con người có kế hoạch xây dựng một khu định cư chỉ phù hợp cho loài kiến, nếu không sẽ cần nhiều tài nguyên hơn nữa. Thách thức lúc này là: làm thế nào để nhân loại có được các nguyên liệu hiếm? Đối với Tiến sĩ Deddy Nababan, Nghiên cứu sinh sau Tiến sĩ của CSIRO và là cựu sinh viên Swinburne, giải pháp có thể nằm ở chính lớp đất của Sao Hỏa, được gọi là regolith.

“Việc đưa kim loại từ Trái Đất lên Sao Hỏa có thể khả thi, nhưng lại không kinh tế. Bạn có tưởng tượng được việc mang hàng tấn kim loại lên Sao Hỏa không? Điều đó hoàn toàn không khả thi”, Tiến sĩ Nababan nói. “Thay vào đó, chúng tôi có thể sử dụng những gì có sẵn trên Sao Hỏa. Nó được gọi là tận dụng tài nguyên tại chỗ, hay ISRU”. Cụ thể hơn, Tiến sĩ Nababan đang nghiên cứu về luyện kim thiên văn - sản xuất kim loại trong không gian.

Xây dựng xưởng đúc ngoài hành tinh

Hóa ra, Sao Hỏa có tất cả các thành phần cần thiết để tạo ra kim loại bản địa. Điều này bao gồm các oxit giàu sắt trong regolith và carbon từ lớp khí quyển mỏng của nó, đóng vai trò là chất khử.

Giáo sư Akbar Rhamdhani, nhà luyện kim thiên văn tại Đại học Công nghệ Swinburne, đang hợp tác với Tiến sĩ Nababan để thử nghiệm quy trình này với chất mô phỏng regolith - một chất tái tạo nhân tạo các thành phần được tìm thấy trên Sao Hỏa. “Chúng tôi đã chọn một chất mô phỏng có đặc tính rất giống với chất được tìm thấy trên sao Hỏa và xử lý chúng trên Trái Đất trong điều kiện mô phỏng sao Hỏa. Điều này giúp chúng tôi hình dung rõ hơn về cách thức hoạt động của quy trình ngoài vũ trụ”, ông nói.

Chất mô phỏng được đặt bên trong một buồng ở áp suất bề mặt sao Hỏa và được nung nóng ở nhiệt độ tăng dần. Các thí nghiệm cho thấy kim loại sắt nguyên chất hình thành ở khoảng 1.000 độ C, với hợp kim silic-sắt lỏng được tạo ra ở khoảng 1.400 độ C. “Ở nhiệt độ đủ cao, tất cả các kim loại kết tụ thành một giọt lớn. Sau đó, giọt này có thể được tách ra khỏi xỉ lỏng theo cách tương tự như trên Trái Đất”, Giáo sư Rhamdhani nói.

Cùng với Tiến sĩ Nababan, Giáo sư Rhamdhani đang hợp tác với Tiến sĩ Mark Pownceby của CSIRO để tiếp tục phát triển quy trình này. Họ đặc biệt tập trung vào việc chế tạo kim loại không có chất thải, trong đó các sản phẩm phụ của quy trình được sử dụng để tạo ra các vật dụng hữu ích.

Không thể vận chuyển, hãy tự làm

Trong thám hiểm không gian, việc sử dụng tài nguyên tại chỗ (ISRU) ngày càng trở nên quan trọng bởi vì mỗi kilôgam được phóng lên tên lửa đều làm tăng chi phí và độ phức tạp của một sứ mệnh. Mặc dù chi phí phóng đang dần giảm, nhưng quy mô tài nguyên cần thiết để hỗ trợ hoạt động thám hiểm của con người vẫn còn rất lớn. Những tiến bộ đáng kể đã và đang được thực hiện, bao gồm cả màn trình diễn đầu tiên của ISRU ngoài vũ trụ.

Thí nghiệm MOXIE của NASA, được thực hiện bởi tàu thám hiểm Perseverance trên sao Hỏa, đã tạo ra thành công oxy thở được từ carbon dioxide trong khí quyển sao Hỏa. Sản xuất kim loại là bước nhảy vọt tiếp theo. Giáo sư Rhamdhani hy vọng các hợp kim được tạo ra trên sao Hỏa có thể được sử dụng làm tường cho nhà ở hoặc cơ sở nghiên cứu, và trong máy móc khai quật.

“Chắc chắn sẽ có những thách thức. Chúng tôi cần hiểu rõ hơn về hiệu suất của những hợp kim này theo thời gian, và tất nhiên, liệu quá trình này có thể được tái tạo trên bề mặt sao Hỏa thực sự hay không”, Giáo sư Rhamdhani nói. Nhưng trong lúc này, Swinburne và các đối tác đang nỗ lực hết mình. Giáo sư Rhamdhani, cùng với Tiến sĩ Nababan và Tiến sĩ Matt Shaw, một nhà nghiên cứu khác của CSIRO và cựu sinh viên Swinburne, gần đây đã tổ chức một hội thảo chuyên đề kéo dài 4 ngày về luyện kim thiên văn tại Hàn Quốc. Kết quả rất khả quan.

“Chúng tôi bắt đầu thấy sự quan tâm ngày càng tăng đối với lĩnh vực này trên toàn cầu khi thế giới ngày càng nghiêm túc với việc thám hiểm sao Hỏa”, ông nói. “Để biến điều đó thành hiện thực, chúng tôi sẽ cần các chuyên gia từ nhiều lĩnh vực - khai thác mỏ, kỹ thuật, địa chất, và nhiều hơn nữa”. Đối với Tiến sĩ Nababan, lợi ích không chỉ dừng lại ở việc thăm dò. Ông hy vọng nghiên cứu của họ cũng sẽ thúc đẩy luyện kim hiệu quả hơn trên Trái Đất. “Bằng cách này, tôi mong muốn có thể góp phần phát triển ngành thám hiểm không gian, và cuối cùng, nó sẽ mang lại những điều tốt đẹp cho cuộc sống con người trên Trái Đất”.

Biến tầm nhìn thành hiện thực

Các nhà khoa học đã phát triển vật liệu sống có thể biến bụi sao Hỏa thành các công trình bằng cách sử dụng địa y tổng hợp. Sáng kiến này cho phép xây dựng sao Hỏa tự động. Sống trên sao Hỏa từ lâu đã là một giấc mơ xa vời, thường được mô tả như một mục tiêu xa vời trong khoa học viễn tưởng. Tuy nhiên, với nhiều sứ mệnh thành công trên hành tinh này trong 50 năm qua, việc biến tầm nhìn này thành hiện thực dường như ngày càng gần tầm tay.

Tuy nhiên, việc định cư trên sao Hỏa không chỉ đơn thuần là thực hiện chuyến đi. Một trong những thách thức quan trọng nhất nằm ở việc xây dựng các tòa nhà ở xa Trái Đất. Việc phóng tàu vũ trụ chứa đầy vật liệu xây dựng nặng nề không hiệu quả về mặt chi phí cũng như không bền vững. Điều này đặt ra một câu hỏi then chốt: làm thế nào chúng ta có thể xây dựng chỉ bằng những gì sao Hỏa cung cấp?

Tiến sĩ Congrui Grace Jin từ Đại học Texas A&M, Mỹ có thể đã tìm ra một giải pháp đầy hứa hẹn. Làm việc với các cộng sự tại Đại học Nebraska-Lincoln, Mỹ, Jin đã dành nhiều năm nghiên cứu cách tạo ra vật liệu sống nhân tạo thông qua sản xuất sinh học. Họ cùng nhau đã phát triển một hệ thống địa y tổng hợp có khả năng tự sản xuất vật liệu xây dựng mà không cần sự can thiệp của con người.

Nghiên cứu mới nhất của họ, được hỗ trợ bởi chương trình Khái niệm Tiên tiến Sáng tạo của NASA và được đăng trên Tạp chí Khoa học và Kỹ thuật Sản xuất, khám phá cách hệ thống này có thể được sử dụng để xây dựng các công trình trên sao Hỏa bằng regolith hiện có trên sao Hỏa - hỗn hợp bụi, cát và đá của hành tinh.

Cách mạng hóa công trình ngoài Trái Đất

Bước đột phá này mang đến một phương pháp tiếp cận mang tính cách mạng cho việc xây dựng ngoài Trái Đất, cho phép tạo ra các công trình trong môi trường khắc nghiệt bằng cách sử dụng vật liệu trên sao Hỏa vốn hạn chế.

“Chúng tôi có thể xây dựng một cộng đồng nhân tạo bằng cách mô phỏng địa y tự nhiên,” Jin nói. “Chúng tôi đã phát triển một phương pháp chế tạo địa y tổng hợp để tạo ra vật liệu sinh học giúp kết dính các hạt regolith sao Hỏa vào các công trình. Sau đó, thông qua công nghệ in 3D, một loạt các công trình có thể được chế tạo, chẳng hạn như tòa nhà, nhà ở và đồ nội thất”.

Các nhà nghiên cứu khác đã khám phá các chiến lược khác nhau để liên kết regolith sao Hỏa, bao gồm các phương pháp dựa trên magie, lưu huỳnh và hợp chất geopolymer. Tuy nhiên, mỗi kỹ thuật này đều phụ thuộc rất nhiều vào sức lao động của con người, điều này khiến chúng trở nên không thực tế do số lượng nhân lực hạn chế trên sao Hỏa.

Một giải pháp thay thế là sử dụng hệ thống vi sinh vật tự sinh trưởng. Những đổi mới trong lĩnh vực này bao gồm quá trình khoáng hóa sinh học vi khuẩn để biến cát thành vật liệu xây dựng rắn, sử dụng vi khuẩn phân giải nước tiểu để sản xuất canxi cacbonat phục vụ cho việc xây gạch, và nghiên cứu của NASA về sợi nấm như một chất kết dính tự nhiên.

Mặc dù công nghệ tự sinh trưởng nhờ vi khuẩn rất hứa hẹn, nhưng các phương pháp hiện tại không hoàn toàn tự động vì các vi sinh vật được sử dụng chỉ giới hạn ở một loài hoặc một chủng duy nhất, do đó khả năng sống sót của chúng đòi hỏi nguồn cung cấp dinh dưỡng liên tục, đồng nghĩa với việc cần có sự can thiệp từ bên ngoài. Một lần nữa, việc thiếu nhân lực trên sao Hỏa khiến việc này trở nên khó khăn.

Cộng đồng tổng hợp đa loài

Để giải quyết vấn đề này, nhóm của Jin đã phát triển một công nghệ tự sinh trưởng hoàn toàn tự động bằng cách thiết kế một cộng đồng tổng hợp tận dụng lợi thế của nhiều loài. Hệ thống này loại bỏ nhu cầu cung cấp dinh dưỡng từ bên ngoài. Thiết kế sử dụng nấm sợi dị dưỡng làm vật liệu liên kết vì chúng có thể thúc đẩy một lượng lớn khoáng sinh học và sống sót trong điều kiện khắc nghiệt tốt hơn nhiều so với vi khuẩn dị dưỡng. Những loại nấm này được kết hợp với vi khuẩn lam quang tự dưỡng diazotrophic để tạo ra hệ thống địa y tổng hợp.

Nó hoạt động như thế nào? Vi khuẩn lam diazotrophic cố định carbon dioxide và dinitrogen từ khí quyển và chuyển đổi chúng thành oxy và chất dinh dưỡng hữu cơ để hỗ trợ sự tồn tại và phát triển của nấm sợi, đồng thời tăng nồng độ ion cacbonat thông qua hoạt động quang hợp.

Nấm sợi liên kết các ion kim loại thành tế bào nấm và đóng vai trò là nơi hình thành mầm cho quá trình sản xuất khoáng sinh học, cũng như thúc đẩy sự phát triển của vi khuẩn lam bằng cách cung cấp nước, khoáng chất và carbon dioxide cho chúng. Cả hai thành phần đều tiết ra các polyme sinh học giúp tăng cường độ bám dính và sự gắn kết giữa regolith trên sao Hỏa và các hạt kết tủa để tạo thành một khối thống nhất.

Hệ thống phát triển chỉ với chất mô phỏng regolith trên sao Hỏa, không khí, ánh sáng và môi trường lỏng vô cơ. Nói cách khác, không cần nhân lực. “Tiềm năng của công nghệ tự phát triển này trong việc cho phép thám hiểm và định cư ngoài Trái Đất lâu dài là rất đáng kể”, Jin nhận định. Bước tiếp theo của dự án, hiện đang được tiến hành, là tạo ra mực regolith để in các cấu trúc sinh học bằng kỹ thuật in 3D viết mực trực tiếp.