Trong nhiều thập kỷ, heli-3 trên Mặt Trăng luôn được nhắc đến như một nguồn nhiên liệu đầy hứa hẹn cho các lò phản ứng nhiệt hạch trong tương lai. Tuy nhiên, dù ý tưởng này thu hút nhiều sự quan tâm, thực tế vẫn còn khoảng cách rất lớn giữa tiềm năng khoa học và khả năng khai thác thương mại.
Heli-3 trên Mặt Trăng đến từ đâu?
Khác với Trái Đất, Mặt Trăng gần như không có khí quyển và cũng không sở hữu từ trường toàn cầu để bảo vệ bề mặt khỏi gió Mặt Trời. Trong suốt hàng tỷ năm, các hạt mang điện từ Mặt Trời liên tục bắn phá lớp đất đá trên bề mặt Mặt Trăng (regolith), khiến nhiều nguyên tố bị “cấy” vào các hạt đất, trong đó có đồng vị heli-3.
Trên Trái Đất, bầu khí quyển và từ trường đã ngăn phần lớn các hạt gió Mặt Trời tiếp cận mặt đất, vì vậy heli-3 tồn tại với lượng cực kỳ nhỏ. Ngược lại, bề mặt Mặt Trăng liên tục tích lũy đồng vị này qua thời gian rất dài, biến vệ tinh tự nhiên của Trái Đất thành nơi chứa heli-3 lớn nhất ở khu vực lân cận.
Tuy nhiên, điều đó không có nghĩa Mặt Trăng có các “mỏ heli-3” giống như mỏ than hay mỏ quặng. Heli-3 chỉ tồn tại với nồng độ rất thấp, phân tán trong lớp đất đá mịn phủ trên bề mặt.
Hàm lượng rất thấp nhưng tổng trữ lượng có thể rất lớn
Những số liệu đáng tin cậy nhất hiện nay đến từ các mẫu đất do các sứ mệnh Apollo của Mỹ và Luna của Liên Xô mang về Trái Đất.
Một nghiên cứu công bố tại Hội nghị Khoa học Mặt Trăng và Hành tinh năm 2007 cho thấy hàm lượng heli-3 trong các mẫu đất dao động từ khoảng 1,4 đến 15,1 phần tỷ (ppb) theo khối lượng. Mẫu đất do Luna 24 thu thập chứa khoảng 3,4 phần tỷ heli-3, trong khi mẫu của Apollo 17 ghi nhận 8 phần tỷ. Nói cách khác, trong một tấn đất Mặt Trăng chỉ chứa vài miligam heli-3.
Các nhà nghiên cứu cũng chỉ ra rằng heli-3 tập trung chủ yếu trong các hạt đất rất mịn, có kích thước dưới 50 micromet, và lượng tích lũy phụ thuộc vào thành phần khoáng vật cũng như mức độ “già” của lớp đất sau thời gian dài tiếp xúc với gió Mặt Trời.
Từ các dữ liệu này, nhóm nghiên cứu ước tính tổng lượng heli-3 có thể tồn tại trong lớp đất Mặt Trăng lên tới khoảng 2,47 triệu tấn. Tuy nhiên, họ cũng nhấn mạnh đây chỉ là ước tính sơ bộ do số lượng mẫu phân tích còn hạn chế.
Khai thác heli-3 khó hơn nhiều so với tưởng tượng
Mặc dù tổng trữ lượng có thể rất lớn, mật độ phân bố cực thấp khiến việc khai thác heli-3 trở thành thách thức khổng lồ.
Ở nồng độ 1 phần tỷ, một tấn đất Mặt Trăng chỉ chứa khoảng 1 miligam heli-3; ngay cả ở mức 10 phần tỷ cũng chỉ thu được khoảng 10 miligam. Điều này đồng nghĩa để thu được chỉ 1 gram heli-3, con người phải xử lý khoảng 100 tấn đất Mặt Trăng, chưa tính các tổn thất trong quá trình khai thác.
Một hệ thống khai thác thực tế sẽ phải đào và vận chuyển lượng lớn đất đá, nung nóng hoặc xử lý để giải phóng khí, tách riêng heli-3 khỏi các chất bay hơi khác, lưu trữ rồi vận chuyển về nơi sử dụng. Toàn bộ quá trình này đòi hỏi hạ tầng công nghiệp quy mô lớn trên Mặt Trăng.
Ngoài hàm lượng heli-3, địa điểm khai thác còn phải đáp ứng hàng loạt điều kiện khác như nguồn điện, khả năng kiểm soát nhiệt, vị trí hạ cánh tàu vũ trụ, xử lý bụi Mặt Trăng, hệ thống liên lạc, bảo dưỡng thiết bị và sự hiện diện của các tài nguyên khác phục vụ hoạt động lâu dài.
Vì sao heli-3 vẫn được kỳ vọng?
Sức hấp dẫn của heli-3 nằm ở vai trò tiềm năng trong các lò phản ứng nhiệt hạch thế hệ mới.
Hiện nay, hầu hết các chương trình phát triển điện nhiệt hạch đều tập trung vào phản ứng giữa deuteri và triti. Tuy nhiên, triti rất hiếm trong tự nhiên và có chu kỳ bán rã ngắn, khiến việc bảo đảm nguồn cung lâu dài là một thách thức.
Trong khi đó, phản ứng giữa deuteri và heli-3 tạo ra ít neutron năng lượng cao hơn, giúp giảm mức độ phóng xạ đối với vật liệu của lò phản ứng và được xem là một hướng đi hấp dẫn trong tương lai.
Tuy nhiên, theo Bộ Năng lượng Mỹ (DOE), phản ứng deuteri-heli-3 cũng đòi hỏi nhiệt độ plasma cao hơn đáng kể so với phản ứng deuteri-triti, đồng thời vẫn phải đối mặt với bài toán nguồn cung nhiên liệu.
Ngay cả khi heli-3 có sẵn trên Mặt Trăng, con người vẫn cần chứng minh có thể khai thác với chi phí hợp lý, xây dựng các lò phản ứng sử dụng loại nhiên liệu này và biến năng lượng nhiệt hạch thành điện năng thương mại. Hiện nay, chưa có bước nào trong số đó được hiện thực hóa.
Còn rất xa mới trở thành ngành công nghiệp
Thành công của các thí nghiệm nhiệt hạch gần đây, như thí nghiệm “đánh lửa” tại Cơ sở Đánh lửa Quốc gia (NIF) của Mỹ, cho thấy công nghệ đang tiến bộ nhưng vẫn còn cách khá xa việc xây dựng các nhà máy điện thương mại.
Chính vì vậy, heli-3 trên Mặt Trăng hiện được xem là một nguồn tài nguyên chiến lược tiềm năng nhiều hơn là một loại nhiên liệu có thể khai thác ngay. Nếu trong tương lai chi phí vận chuyển lên Mặt Trăng giảm mạnh, con người xây dựng được các căn cứ lâu dài, phát triển công nghệ khai thác tài nguyên ngoài Trái Đất và thương mại hóa thành công điện nhiệt hạch, heli-3 mới có thể trở thành mắt xích quan trọng của nền kinh tế không gian.
Ở thời điểm hiện tại, điều các nhà khoa học chắc chắn là các mẫu đất Apollo và Luna đã xác nhận sự hiện diện của heli-3 trên Mặt Trăng với hàm lượng rất thấp, được tích lũy qua hàng tỷ năm dưới tác động của gió Mặt Trời. Còn việc đồng vị này có trở thành nguồn nhiên liệu cho nền công nghiệp tương lai hay không vẫn là câu hỏi chưa có lời đáp.
Bề mặt Mặt Trăng sở hữu lượng heli-3 đáng kể, nhưng khai thác nguồn nhiên liệu nhiệt hạch này là một bài toán chưa có lời giải. Ảnh: Space.com
