Các nhà nghiên cứu của Đại học Swinburne và cơ quan nghiên cứu CSIRO của Úc đã thành công trong việc sản xuất sắt trong điều kiện giống Sao Hỏa, mở ra cánh cửa cho việc sản xuất kim loại ngoài 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 quốc gia và những người ủng hộ thám hiểm vũ trụ. Tuy nhiên, để xây dựng các khu định cư như vậy cần một lượng vật liệu khổng lồ, và việc vận chuyển tất cả từ Trái Đất là điều không khả thi. Để so sánh, chỉ riêng việc đưa xe thám hiểm tự hành Perseverance nặng một tấn của NASA lên Sao Hỏa đã tốn khoảng 243 triệu USD.
Đối với Tiến sĩ Deddy Nababan tại CSIRO và là cựu sinh viên Swinburne, giải pháp có thể nằm ngay trong lớp đất của Sao Hỏa, gọi là regolith.
“Việc gửi kim loại từ Trái Đất lên Sao Hỏa có thể thực hiện được, nhưng không kinh tế. Bạn có thể tưởng tượng mang hàng tấn kim loại đến Sao Hỏa không? Thật sự không thực tế,” theo ông Nababan, người nghiên cứu sâu về luyện kim trong không gian (astrometallurgy).
“Thay vào đó, chúng ta có thể sử dụng những gì sẵn có trên Sao Hỏa. Cách này gọi là khai thác tài nguyên tại chỗ (in-situ resource utilization, hay ISRU),” ông nói.
Xây dựng lò luyện kim ngoài Trái Đất
Sao Hỏa có đầy đủ các thành phần cần thiết để sản xuất kim loại. Chúng bao gồm oxit giàu sắt trong lớp regolith và carbon từ khí quyển mỏng, có vai trò như chất khử.
Giáo sư Akbar Rhamdhani, chuyên gia về luyện kim trong không gian tại Đại học Công nghệ Swinburne, đang hợp tác với ông Nababan để thử nghiệm quy trình này bằng đất mô phỏng lớp đất trên Sao Hỏa.
“Chúng tôi đã chọn loại đất mô phỏng có đặc tính rất giống với mẫu đất tìm thấy tại hố Gale trên Sao Hỏa và xử lý chúng trên Trái Đất với điều kiện giả lập môi trường Sao Hỏa. Điều này cho phép chúng tôi hình dung tốt hơn quy trình sẽ hoạt động thế nào ngoài Trái đất,” ông nói.
Mẫu đất mô phỏng được đặt trong buồng có áp suất bề mặt Sao Hỏa và nung ở nhiệt độ tăng dần. Thí nghiệm cho thấy sắt nguyên chất hình thành ở khoảng 1000°C, và hợp kim sắt–silicon lỏng xuất hiện ở khoảng 1400°C.
“Ở nhiệt độ đủ cao, tất cả kim loại kết tụ thành một giọt lớn. Sau đó có thể tách ra khỏi xỉ lỏng theo cách tương tự như trên Trái Đất,” Giáo sư Rhamdhani giải thích.
Cùng với Tiến sĩ Nababan, ông Rhamdhani còn hợp tác với Tiến sĩ Mark Pownceby của CSIRO để hoàn thiện quy trình. Nhóm nghiên cứu đặc biệt chú trọng đến luyện kim không tạo rác thải, trong đó sản phẩm phụ của quá trình có thể được tận dụng làm vật dụng hữu ích.
Hãy sản xuất tại chỗ
Trong thám hiểm không gian, khai thác tài nguyên tại chỗ (ISRU) ngày càng trở nên quan trọng vì mỗi kilogram đưa lên tên lửa đều làm tăng chi phí và độ phức tạp của sứ mệnh. Mặc dù chi phí phóng đang giảm dần, quy mô nguồn lực cần thiết để hỗ trợ con người vẫn vô cùng lớn.
Những bước tiến đáng kể đã được thực hiện, bao gồm thử nghiệm ISRU ngoài Trái Đất đầu tiên. Thí nghiệm MOXIE của NASA, được mang theo bởi tàu Perseverance, đã sản xuất thành công oxy có thể thở được chỉ từ khí CO₂ trong khí quyển Sao Hỏa.
Sản xuất kim loại sẽ là bước nhảy vọt tiếp theo. Giáo sư Rhamdhani hy vọng các hợp kim chế tạo trên Sao Hỏa có thể dùng làm vỏ cho nhà ở và cơ sở nghiên cứu, cũng như máy móc khai thác.
“Dĩ nhiên có những thách thức. Chúng ta cần hiểu rõ hơn khả năng của các hợp kim này theo thời gian, và tất nhiên, cần tìm hiểu xem quy trình này có tái lập được trên bề mặt Sao Hỏa thật hay không,” ông nói.
Trong khi đó, Swinburne và các đối tác đang tăng tốc. Gần đây, Giáo sư Rhamdhani cùng Tiến sĩ Nababan và Tiến sĩ Matt Shaw (nhà nghiên cứu CSIRO, cũng là cựu sinh viên Swinburne) đã tổ chức một khóa hội thảo chuyên sâu 4 ngày về luyện kim ngoài không gian tại Hàn Quốc. Phản hồi tại hội thảo là rất tích cực.
“Chúng tôi đang bắt đầu thấy sự quan tâm lớn hơn trên toàn cầu khi thế giới trở nên nghiêm túc hơn về thám hiểm Sao Hỏa,” ông cho biết. “Để biến điều này thành hiện thực, chúng ta sẽ cần chuyên gia từ nhiều lĩnh vực — khai khoáng, kỹ thuật, địa chất, và nhiều hơn nữa.”
Đối với Tiến sĩ Nababan, lợi ích còn vượt ra ngoài việc thám hiểm. Ông hy vọng nghiên cứu này cũng sẽ thúc đẩy ngành luyện kim ngay trên Trái Đất hiệu quả hơn.
“Bằng cách này, tôi mong muốn góp phần phát triển thám hiểm không gian, và cuối cùng sẽ mang lại lợi ích cho cuộc sống con người ngay trên Trái Đất.”
Các nhà khoa học đang tìm cách biến đất Sao Hỏa thành kim loại. Đột phá này có thể giúp xây dựng khu định cư trên Sao Hỏa mà không cần mang mọi thứ từ Trái Đất. Ảnh: Shutterstock
Mẫu đất mô phỏng được đưa vào lò nung trong điều kiện Sao Hỏa và đốt nóng, tạo ra sắt. Ảnh: Đại học Công nghệ Swinburne
