Thông qua Chương trình Artemis Program, NASA đặt mục tiêu thiết lập sự hiện diện lâu dài của con người tại khu vực cực Nam Mặt Trăng. Trung Quốc, Nga và Cơ quan Vũ trụ châu Âu (ESA) cũng theo đuổi kế hoạch tương tự, tập trung xây dựng căn cứ gần các miệng hố luôn chìm trong bóng tối – nơi được cho là chứa băng nước – ở vùng cực Nam.
Thách thức lớn nhất là vấn đề tiếp tế. Mỗi chuyến vận chuyển từ Trái Đất mất nhiều ngày và không thể thực hiện thường xuyên. Vì vậy, các căn cứ tương lai buộc phải tự chủ tối đa, tận dụng nguồn tài nguyên sẵn có trên Mặt Trăng. Cách tiếp cận này được gọi là Tận dụng tài nguyên tại chỗ (ISRU).
Trong một nghiên cứu mới, các nhà khoa học tại The Ohio State University (OSU) đề xuất sử dụng công nghệ in 3D bằng laser để biến lớp đất đá bề mặt Mặt Trăng (regolith) thành vật liệu xây dựng cứng chắc. Theo nhóm nghiên cứu, phương pháp này có thể tạo ra các cấu trúc đủ bền để chịu bức xạ và điều kiện khắc nghiệt ngoài không gian.
Nghiên cứu do nghiên cứu sinh Sizhe Xu dẫn đầu, với sự tham gia của các chuyên gia về kỹ thuật hệ thống, cơ khí – hàng không vũ trụ và khoa học vật liệu. Công trình được công bố trên tạp chí Acta Astronautica.
Vì sao cần in 3D trên Mặt Trăng?
ISRU đang thúc đẩy sự phát triển nhanh của công nghệ sản xuất bồi đắp, hay còn gọi là in 3D. Công nghệ này cho phép chế tạo công cụ, linh kiện, thậm chí là mô-đun sinh sống ngay tại chỗ, thay vì phụ thuộc hoàn toàn vào nguồn hàng từ Trái Đất.
Tuy nhiên, việc đưa hệ thống in 3D ra môi trường Mặt Trăng không hề đơn giản. Ở đó không có khí quyển, nhiệt độ chênh lệch cực lớn giữa ngày và đêm, và bụi Mặt Trăng rất mịn, sắc cạnh, dễ làm hỏng thiết bị.
Trong thí nghiệm, nhóm OSU sử dụng vật liệu mô phỏng đất đá vùng cao nguyên Mặt Trăng, có thành phần tương tự các mẫu đá do chương trình Apollo program mang về. Họ dùng tia laser làm nóng chảy vật liệu này, tạo thành từng lớp và kết dính lên bề mặt thép không gỉ hoặc kính.
Kết quả cho thấy vật liệu nóng chảy bám đặc biệt tốt lên gốm alumina–silicate, có thể nhờ sự hình thành tinh thể giúp tăng khả năng chịu nhiệt và độ bền cơ học. Tuy vậy, chất lượng sản phẩm in phụ thuộc nhiều vào môi trường chế tạo, như nồng độ oxy, công suất laser và tốc độ in. Những yếu tố này ảnh hưởng trực tiếp đến độ bền và khả năng chịu sốc nhiệt của cấu trúc.
Triển vọng dài hạn
Nếu được ứng dụng thực tế, công nghệ in 3D bằng laser có thể giúp xây dựng nơi ở và cơ sở hạ tầng bền vững trên Mặt Trăng, giảm đáng kể sự phụ thuộc vào Trái Đất – điều kiện then chốt cho các sứ mệnh dài ngày.
Xa hơn, công nghệ này có thể mở đường cho việc xây dựng căn cứ trên Sao Hỏa và các thiên thể khác. Dù vậy, vẫn còn nhiều yếu tố môi trường ngoài không gian chưa được kiểm chứng đầy đủ. Nhóm nghiên cứu cho rằng trong tương lai, hệ thống in có thể vận hành bằng năng lượng Mặt Trời hoặc nguồn lai thay vì điện truyền thống.
Không chỉ phục vụ thám hiểm không gian, công nghệ này còn có ý nghĩa đối với Trái Đất. Trong bối cảnh tài nguyên ngày càng hạn chế và biến đổi khí hậu gia tăng, khả năng xây dựng bền vững bằng nguồn lực tối thiểu có thể trở thành giải pháp quan trọng cho nhiều khu vực trên hành tinh.
Phương pháp in 3D bằng laser, được các nhà nghiên cứu tại Đại học Bang Ohio (OSU) thử nghiệm, có thể tạo ra các cấu trúc bền vững và ổn định trên Mặt Trăng. Ảnh: ESA
Hình cắt lớp một mô-đun sinh sống trên Mặt Trăng. Ảnh: ESA
Ảnh minh họa các phi hành gia thu thập mẫu vật trên bề mặt Mặt Trăng trong khuôn khổ Chương trình Artemis của NASA. Ảnh: NASA
