Nếu con người thực sự muốn xây dựng một thành phố trên Sao Hỏa trong tương lai, thử thách lớn nhất có thể không nằm ở việc đưa con người lên hành tinh đỏ — mà ở chuyện mang đủ vật liệu để xây dựng cả một nền văn minh mới.
Dù Sao Hỏa có trữ lượng sắt nhất định, hành tinh này lại thiếu nhiều nguyên tố quan trọng để sản xuất các vật liệu công nghệ cao như boron hay molypden. Trong khi đó, vào giai đoạn những người định cư đầu tiên đặt chân lên Sao Hỏa, phần lớn năng lực công nghiệp của nhân loại nhiều khả năng vẫn sẽ tập trung quanh Trái Đất và Mặt Trăng.
Một nghiên cứu mới do nhà khoa học Serena Suriano dẫn đầu, hiện được đăng dưới dạng bản thảo trên arXiv, đưa ra một giải pháp táo bạo: khai thác tài nguyên từ các tiểu hành tinh trong vành đai chính nằm giữa Sao Hỏa và Sao Mộc để cung cấp nguyên liệu cho các khu định cư trên hành tinh đỏ.
Ý tưởng nghe có vẻ đơn giản, nhưng việc biến nó thành hiện thực lại phức tạp hơn rất nhiều.
Bài toán không chỉ là bay tới tiểu hành tinh rồi quay về
Thách thức lớn nhất nằm ở cơ học quỹ đạo.
Khai thác tiểu hành tinh không đơn giản là đưa một con tàu tới một tảng đá ngoài không gian, chất đầy khoáng sản rồi quay trở lại Sao Hỏa. Toàn bộ hành trình đòi hỏi một “vũ điệu quỹ đạo” cực kỳ phức tạp — thậm chí có thể cần tới các “trạm xăng” giữa không gian sâu.
Để mô phỏng kịch bản thực tế, nhóm nghiên cứu sử dụng một tàu vận tải giả định có thông số gần tương đương Starship của SpaceX.
Con tàu này có khối lượng khô khoảng 120 tấn, khả năng chở 115 tấn hàng hóa nhưng mang theo tới 1.100 tấn nhiên liệu.
Sự chênh lệch khổng lồ này phản ánh điều mà giới hàng không vũ trụ gọi là “sự tàn nhẫn của phương trình tên lửa” — tức nhiên liệu cần thiết để di chuyển ngoài không gian chiếm phần lớn khối lượng tàu.
Không có tiểu hành tinh kim loại nào đủ gần
Ngay cả khi được nạp đầy nhiên liệu, con tàu giả định này chỉ có thể tạo ra mức thay đổi vận tốc tối đa (delta-v) khoảng 6,4 km/giây.
Tuy nhiên, nhóm nghiên cứu phát hiện hiện không có tiểu hành tinh kim loại nào đủ gần để một con tàu có thể bay từ Sao Hỏa tới khai thác rồi quay về chỉ với một lần nạp nhiên liệu.
Phần lớn các hành trình như vậy sẽ cần mức delta-v từ 10 đến 12,8 km/giây, gần gấp đôi khả năng của tàu.
Để giải quyết bài toán này, nhóm nghiên cứu đề xuất một hệ thống vận chuyển nhiều chặng.
Con tàu trước tiên sẽ bay tới một tiểu hành tinh kim loại để thu thập tài nguyên. Sau đó, nó tiếp tục di chuyển tới một tiểu hành tinh loại C — nơi chứa nhiều nước và hydrocarbon — để sản xuất nhiên liệu ngay tại chỗ trước khi quay trở lại quỹ đạo Sao Hỏa.
Theo nghiên cứu, trong giai đoạn phóng kéo dài 20 năm bắt đầu từ năm 2040, có 22 cặp tiểu hành tinh phù hợp với mô hình này.
Trong suốt khoảng thời gian đó, một tàu có thể vận chuyển khoảng 200 tấn kim loại về Sao Hỏa.
Vấn đề lớn nhất: quá chậm
Con số 200 tấn nghe có vẻ khá khiêm tốn so với khả năng chở hàng của con tàu. Nguyên nhân là toàn bộ quy trình diễn ra cực kỳ chậm.
Một chuyến khai thác theo mô hình hai điểm dừng có thể kéo dài tới 10 năm, do các hành tinh và tiểu hành tinh phải nằm đúng vị trí quỹ đạo phù hợp.
Ngoài ra, quá trình sản xuất nhiên liệu tại chỗ hiện vẫn là điểm nghẽn lớn.
Theo kế hoạch Mars Direct 2.0 của kỹ sư hàng không vũ trụ Robert Zubrin, tốc độ sản xuất nhiên liệu trung bình chỉ đạt khoảng 2 kg mỗi ngày.
Với tốc độ này, việc nạp đầy bồn nhiên liệu 1.100 tấn có thể mất hơn 1.500 năm — rõ ràng là điều không thể chấp nhận nếu con người muốn xây dựng một khu định cư thực sự trên Sao Hỏa.
Công nghệ tương lai có thể thay đổi cuộc chơi
Các nhà khoa học cho rằng lời giải lâu dài có thể nằm ở các hệ thống đẩy phi hóa học.
Những công nghệ như động cơ điện dùng năng lượng Mặt Trời hoặc buồm Mặt Trời có thể thay đổi hoàn toàn bài toán hậu cần liên hành tinh.
Tuy nhiên, các công nghệ này vẫn đang trong giai đoạn phát triển ban đầu và khó có thể sẵn sàng cho các nhiệm vụ tiếp tế Sao Hỏa trong tương lai gần.
Hiện tại, mô hình “trạm xăng ngoài không gian” vẫn là phương án khả thi nhất mà các nhà khoa học có thể hình dung.
Nghiên cứu mới cho thấy việc khai thác tiểu hành tinh để xây dựng thành phố trên Sao Hỏa không phải bất khả thi — nhưng để biến ý tưởng đó thành hiện thực, nhân loại có lẽ sẽ phải học cách khai thác cả Hệ Mặt Trời trước khi xây được một đô thị thực sự trên hành tinh đỏ.
Hình minh họa một sứ mệnh thu giữ tiểu hành tinh. Ảnh: NASA
