Nước là một trong những nguồn tài nguyên quyết định khả năng con người xây dựng căn cứ lâu dài trên Mặt Trăng. Trong bối cảnh NASA đang chuẩn bị triển khai các sứ mệnh robot tới cực Nam Mặt Trăng để xác định vị trí, thành phần và khả năng khai thác băng nước, một nghiên cứu năm 2025 cho thấy đất Mặt Trăng có thể được xử lý ngay tại chỗ để tạo ra nước, oxy và các thành phần của nhiên liệu tên lửa. Công trình chưa phải giải pháp khai thác hoàn chỉnh, nhưng mở thêm một hướng quan trọng cho mục tiêu sử dụng tài nguyên tại chỗ, giảm lượng vật tư phải vận chuyển từ Trái Đất và xây dựng căn cứ Mặt Trăng trong tương lai.
Các nhà khoa học đã chiết xuất nước từ đất Mặt Trăng và dùng ánh sáng Mặt Trời để chuyển hóa nguồn nước này thành oxy, hydro và monoxide carbon – những thành phần có thể phục vụ sự sống và sản xuất nhiên liệu tên lửa trong tương lai.
Nghiên cứu, công bố ngày 16/7/2025 trên tạp chí Joule, sử dụng các mẫu đất do sứ mệnh Hằng Nga 5 (Chang’e-5) của Trung Quốc đưa về Trái Đất. Nhóm nghiên cứu cho biết đã dùng ánh sáng Mặt Trời hội tụ để giải phóng nước trong đất Mặt Trăng, sau đó đưa nguồn nước này trực tiếp vào các phản ứng hóa học tạo ra những loại khí hữu ích.
Đây mới chỉ là thử nghiệm trong phòng thí nghiệm, chưa phải một hệ thống sản xuất nước và nhiên liệu có thể vận hành trên Mặt Trăng. Tuy nhiên, điểm đáng chú ý của nghiên cứu là nhóm đã kết hợp quá trình chiết xuất nước với chuyển hóa hóa học trong cùng một quy trình quang nhiệt, qua đó có thể giảm số công đoạn cần thiết cho các cơ sở khai thác tài nguyên trong tương lai.
Ánh sáng Mặt Trời cung cấp năng lượng, đất Mặt Trăng làm chất xúc tác
Nghiên cứu của Junchuan Sun và các cộng sự mô tả một lò phản ứng có khả năng tập trung ánh sáng Mặt Trời và chuyển hóa năng lượng này thành nhiệt.
Khi được nung nóng, nước liên kết trong đất Mặt Trăng được giải phóng. Các thành phần khoáng chất trong đất, đặc biệt là ilmenite – khoáng vật chứa sắt và titan – sau đó đóng vai trò chất xúc tác cho các phản ứng giữa nước và dioxide carbon.
Quá trình này tạo ra oxy, hydro và monoxide carbon. Sau khi được tách và tinh chế, oxy có thể được sử dụng trong các hệ thống hỗ trợ sự sống và làm chất oxy hóa trong nhiên liệu đẩy tên lửa. Hydro có thể được dùng làm nhiên liệu, trong khi hydro kết hợp với monoxide carbon tạo thành khí tổng hợp – nguyên liệu để sản xuất các loại nhiên liệu khác.
Tuy nhiên, cần phân biệt rõ: thí nghiệm mới chỉ tạo ra oxy và các thành phần có thể dùng để sản xuất nhiên liệu, chứ chưa nạp nhiên liệu vào tên lửa hay chứng minh các sản phẩm thu được đã đạt tiêu chuẩn để con người hít thở.
Dioxide carbon là nguyên liệu đầu vào thứ hai của quy trình. Vì Mặt Trăng không có bầu khí quyển đủ dày để thu gom dioxide carbon, các nhà nghiên cứu đề xuất thu hồi khí này từ không khí do phi hành gia thở ra.
Về lý thuyết, quy trình có thể tạo thành một vòng tuần hoàn: ánh sáng Mặt Trời cung cấp năng lượng, đất Mặt Trăng cung cấp nước và khoáng chất xúc tác, còn môi trường sống của phi hành gia cung cấp dioxide carbon.
Đất Mặt Trăng khô nhưng vẫn chứa nước
Tàu Hằng Nga 5 hạ cánh xuống khu vực phía bắc Oceanus Procellarum vào tháng 12/2020 và mang về Trái Đất 1,73 kg vật liệu. Các phân tích sau đó cho thấy đất ở khu vực này rất khô theo tiêu chuẩn Trái Đất nhưng vẫn chứa các hợp chất có hydro.
Một nghiên cứu công bố năm 2022 trên Nature Communications ghi nhận hàm lượng hydroxyl trung bình tại khu vực hạ cánh là 28,5 phần triệu. Một phân tích khác trên Science Advances ước tính hàm lượng hydroxyl trong đất ở khu vực lân cận lên tới 120 phần triệu.
Những con số này không có nghĩa Mặt Trăng chứa các hồ nước ngầm. Nước có thể tồn tại dưới dạng hydroxyl hoặc các phân tử nước liên kết với khoáng chất và thủy tinh. Các khu vực có hàm lượng băng cao hơn được cho là tồn tại tại một số vùng cực luôn chìm trong bóng tối.
Trong nghiên cứu mới, nhóm Sun sử dụng các mẫu đất Hằng Nga 5 được phân bổ cho nghiên cứu, đồng thời tiến hành các thử nghiệm với vật liệu mô phỏng đất Mặt Trăng. Do lượng mẫu thật đưa về Trái Đất quá ít để sử dụng trong các thử nghiệm quy mô lớn, đất mô phỏng vẫn đóng vai trò quan trọng.
Mẫu đất thật giúp kiểm chứng phản ứng dựa trên thành phần thực tế của Mặt Trăng, trong khi vật liệu mô phỏng cho phép các nhà khoa học thử nghiệm với khối lượng lớn hơn. Tuy nhiên, cả hai loại vật liệu này vẫn chưa tái tạo đầy đủ điều kiện vận hành trong môi trường chân không, trọng lực thấp và nhiệt độ khắc nghiệt trên Mặt Trăng.
Giảm nhu cầu vận chuyển nước từ Trái Đất
Nghiên cứu ước tính chi phí đưa một gallon nước – tương đương khoảng 3,8 lít – lên không gian có thể lên tới US$83.000, tương đương khoảng US$22.000/kg.
Đây không phải mức giá cố định cho việc vận chuyển nước lên Mặt Trăng, bởi chi phí thực tế phụ thuộc vào tên lửa, điểm đến, cấu hình tải trọng và phương pháp tính toán. Tuy nhiên, con số này cho thấy lợi ích tiềm năng của việc sử dụng tài nguyên tại chỗ.
Nước vừa cần thiết cho sự sống, vừa có thể được phân tách để sản xuất oxy và hydro. Mỗi kilogram nước được tạo ra tại chỗ có thể giúp giảm khối lượng cần vận chuyển từ Trái Đất và dành năng lực phóng cho những thiết bị không thể sản xuất trên Mặt Trăng. NASA gọi hướng tiếp cận này là sử dụng tài nguyên tại chỗ (ISRU), bao gồm sản xuất nước, oxy, nhiên liệu đẩy và vật liệu xây dựng ngay tại nơi thám hiểm.
Tuy nhiên, một phản ứng hóa học thành công trong phòng thí nghiệm vẫn còn cách rất xa một nhà máy hoạt động trên Mặt Trăng.
Một hệ thống thực tế sẽ phải đào và vận chuyển lớp bụi Mặt Trăng có tính mài mòn cao, duy trì các bề mặt quang học sạch để tập trung ánh sáng, đồng thời tách, tinh chế, nén hoặc hóa lỏng và lưu trữ các loại khí trong điều kiện nhiệt độ khắc nghiệt. Các thiết bị cũng phải có khả năng vận hành từ xa và chịu được sự cố mà không có cơ sở sửa chữa ở gần. Hiệu suất phản ứng hiện tại cũng chưa đủ để đáp ứng toàn bộ nhu cầu của một căn cứ có người ở.
Bước tiếp theo là thử nghiệm trong điều kiện giống Mặt Trăng
Bước tiến quan trọng tiếp theo sẽ là vận hành liên tục hệ thống trong buồng thử nghiệm mô phỏng môi trường Mặt Trăng, bao gồm chân không, bụi, bức xạ và các chu kỳ nhiệt độ khắc nghiệt. Sau đó, công nghệ cần được thử nghiệm trên bề mặt Mặt Trăng với số liệu cụ thể về mức tiêu thụ năng lượng, sản lượng và độ tinh khiết của các sản phẩm.
Sự khác biệt giữa thử nghiệm trong phòng thí nghiệm và vận hành thực tế từng được thể hiện qua sứ mệnh PRIME-1 của NASA vào tháng 3/2025. Máy khoan và máy quang phổ khối của sứ mệnh vẫn hoạt động sau khi hạ cánh gần cực nam Mặt Trăng, nhưng tàu đổ bộ bị nghiêng sang một bên. Sứ mệnh trên bề mặt chỉ kéo dài khoảng 10 giờ thay vì 10 ngày như kế hoạch.
Nghiên cứu nêu trên vì vậy chưa chứng minh rằng con người có thể sớm tự cung cấp nước, oxy và nhiên liệu trên Mặt Trăng. Tuy nhiên, nó cho thấy một quy trình hóa học có cơ sở, sử dụng đất Mặt Trăng, ánh sáng Mặt Trời và dioxide carbon để tạo ra các nguồn tài nguyên có giá trị. Nếu các kỹ sư có thể biến quy trình này thành một hệ thống bền bỉ và vận hành khép kín, các phi hành đoàn trong tương lai có thể giảm đáng kể lượng nước và nhiên liệu vận chuyển từ Trái Đất.
Mặt Trăng trên nền trời đêm tối. Đất Mặt Trăng có thể được dùng để sản xuất nước và nhiên liệu. Ảnh: Space Daily
