Trong khi phần lớn sự chú ý của ngành công nghiệp vũ trụ đang tập trung vào tên lửa, tàu đổ bộ và xe tự hành phục vụ kế hoạch đưa con người trở lại Mặt Trăng, một số công ty lại theo đuổi một bài toán thiết yếu hơn: làm thế nào để nuôi sống các phi hành gia khi họ ở đó.
NASA đặt mục tiêu bắt đầu xây dựng căn cứ trên Mặt Trăng từ khoảng năm 2028. Để duy trì sự hiện diện lâu dài của con người, việc tự sản xuất thực phẩm sẽ đóng vai trò then chốt, giúp giảm phụ thuộc vào các chuyến tiếp tế từ Trái Đất.
Cơ quan này đã nghiên cứu khả năng trồng cây trong môi trường vi trọng lực trên Trạm Vũ trụ Quốc tế (ISS) trong nhiều năm. Tuy nhiên, phải mất thêm nhiều năm nữa các phi hành gia mới có thể sử dụng hoàn toàn thực phẩm được trồng ngoài không gian.
Dù vậy, một số doanh nghiệp đã bắt đầu phát triển các công nghệ nền tảng cho nông nghiệp ngoài Trái Đất, với mục tiêu xây dựng hệ thống sản xuất thực phẩm ổn định cho Mặt Trăng và xa hơn nữa là sao Hỏa.
Mùa xuân năm nay, NASA đã kêu gọi các đề xuất thuộc chương trình Nghiên cứu Đổi mới Doanh nghiệp Nhỏ (SBIR) cho các công nghệ trồng cây, đồng thời mở nhiều cơ hội hợp đồng liên quan đến các giải pháp tương tự.
Đối với các doanh nghiệp đang phát triển công nghệ này, đây là tín hiệu tích cực cho thấy nông nghiệp không gian có thể trở thành một lĩnh vực quan trọng hơn trong ngành công nghiệp vũ trụ thương mại. Những thí nghiệm và công nghệ mà họ đang phát triển cũng có thể đặt nền móng cho hoạt động sản xuất thực phẩm quy mô lớn trên Mặt Trăng, sao Hỏa và trong không gian sâu.
Trên toàn ngành, các công ty và nhóm nghiên cứu đang chế tạo các mô-đun trồng cây dạng lắp ghép, hoàn thiện thiết kế nhà kính quy mô lớn cho Mặt Trăng, chuẩn bị trồng các loài thực vật khó sinh trưởng trên bề mặt thiên thể này, đồng thời phát triển các hệ thống giám sát có khả năng phát hiện dấu hiệu cây trồng bị căng thẳng hoặc suy yếu trước khi ảnh hưởng đến quá trình phát triển.
Những công nghệ này mang lại cái nhìn ban đầu về cách con người có thể sản xuất cây lương thực ngoài Trái Đất trong tương lai, từ các trạm vũ trụ đến các căn cứ trên Mặt Trăng và sao Hỏa.
“Nếu nông nghiệp trong môi trường kiểm soát tự động và hạ tầng vũ trụ thương mại tiếp tục phát triển như kỳ vọng, quy mô thị trường tiềm năng trong tương lai có thể đủ lớn để hỗ trợ những doanh nghiệp đạt doanh thu hàng chục triệu USD mỗi năm,” ông Fartash Vasefi, đồng sáng lập kiêm Giám đốc công nghệ của SafetySpect, công ty phát triển công nghệ an toàn môi trường và thực phẩm, cho biết.
Trồng rau trên Mặt Trăng
Một trong những dự án đáng chú ý là LEAF (Lunar Effects on Agricultural Flora – Tác động của Mặt Trăng lên Thực vật Nông nghiệp) của Space Lab Technologies. Đây là thí nghiệm khoa học được NASA lựa chọn cho các sứ mệnh Artemis trong tương lai.
Hệ thống LEAF là một buồng trồng cây nhỏ chạy bằng năng lượng Mặt Trời, được thiết kế để hoạt động tự động trên bề mặt Mặt Trăng. Bên trong sẽ có ba loại thực vật, gồm hai giống cải Brassica rapa và cải Arabidopsis thaliana, vốn được lựa chọn nhờ kích thước nhỏ, sinh trưởng nhanh và từng được thử nghiệm trong môi trường không gian.
Buồng trồng cây sẽ tự cung cấp ánh sáng, nước, chất dinh dưỡng và bầu khí quyển phù hợp để cây phát triển trong khoảng 3-5 ngày trước khi các mẫu cây được đưa về Trái Đất phân tích.
Buồng trồng cây này là thành quả của gần 10 năm phát triển công nghệ với sự hỗ trợ của NASA tại Space Lab. Hợp đồng đầu tiên mà công ty nhận được từ NASA vào năm 2017 đã giúp họ chế tạo một buồng nuôi trồng có khả năng tự động tưới nước và thu hoạch các loài thực vật thủy sinh giàu dinh dưỡng trong môi trường vi trọng lực trên các chuyến bay New Shepard của Blue Origin vào các năm 2020 và 2025. Công nghệ đó sau này được điều chỉnh và ứng dụng cho dự án LEAF.
Kể từ đó, công ty có trụ sở tại Boulder, bang Colorado đã nhận tổng cộng 15 hợp đồng từ NASA với giá trị khoảng 19,3 triệu USD để phát triển các công nghệ nông nghiệp không gian. Các dự án bao gồm thiết bị tự động theo dõi sức khỏe cây trồng và thậm chí cả ý tưởng xây dựng mái vòm nhà kính dành cho sao Hỏa.
Theo bà Christine Chamberlain, Phó Chủ tịch kiêm Giám đốc kinh doanh của Space Lab, những công nghệ sinh học tái tạo như vậy sẽ đóng vai trò then chốt đối với các sứ mệnh khám phá không gian xa hơn và kéo dài hơn.
“Khi con người bắt đầu duy trì sự hiện diện bền vững hơn trong không gian, dù là trên quỹ đạo Trái Đất thấp (LEO), tại căn cứ trên Mặt Trăng hay xa hơn là trên sao Hỏa, khả năng tái chế, tái sử dụng hoặc tái tạo những gì chúng ta tiêu thụ sẽ ngày càng trở nên cần thiết. Điều đó giúp duy trì các hoạt động khám phá không gian mà không phải mang theo mọi thứ từ Trái Đất,” bà nói.
Mục tiêu của dự án là tìm hiểu tác động của trọng lực thấp và bức xạ không gian đối với quá trình quang hợp, giá trị dinh dưỡng và khả năng thích nghi của thực vật trên Mặt Trăng.
Theo Space Lab Technologies, những dữ liệu này sẽ giúp các nhà khoa học lựa chọn hoặc lai tạo các giống cây phù hợp nhất cho môi trường ngoài Trái Đất, đồng thời hoàn thiện các hệ thống nông nghiệp không gian trong tương lai.
Nhà kính cho Mặt Trăng và sao Hỏa
Một doanh nghiệp khác là Interstellar Lab, công ty công nghệ sinh học có trụ sở tại Pháp và Mỹ, đang phát triển các nhà kính tự động dành cho môi trường ngoài Trái Đất.
Công ty đã giành giải thưởng lớn NASA Deep Space Food Challenge năm 2024 với hệ thống NuCLEUS, một mô-đun trồng cây khép kín gồm sáu khoang canh tác độc lập. Hệ thống sử dụng trí tuệ nhân tạo (AI) để tự động điều chỉnh nhiệt độ, ánh sáng, độ ẩm, tưới tiêu và các điều kiện môi trường khác nhằm tối ưu hóa quá trình sinh trưởng của cây trồng.
Trước khi thử nghiệm các loại cây lương thực, Interstellar Lab dự định đưa một nhà kính mini lên Mặt Trăng để trồng hoa hồng trong sứ mệnh Artemis 4.
Theo Giám đốc điều hành Barbara Belvisi, hoa hồng khó trồng hơn nhiều so với rau xanh và đòi hỏi khả năng kiểm soát môi trường cực kỳ chính xác.
“Nếu có thể trồng được hoa hồng, chúng tôi gần như có thể trồng được bất cứ loại cây nào,” bà nói.
Nhà kính mini này sẽ được xe tự hành FLEX Rover của Astrolab triển khai trên bề mặt Mặt Trăng. Mục tiêu là nghiên cứu quá trình ra hoa, một bước quan trọng trước khi tiến tới trồng cây ăn quả và cây lương thực.
Belvisi cho rằng nhà kính sẽ là nền tảng không thể thiếu cho bất kỳ căn cứ lâu dài nào trên sao Hỏa hoặc Mặt Trăng vì vừa tạo ra thực phẩm, vừa hấp thụ khí CO₂ và sản sinh oxy cho con người.
AI phát hiện cây trồng bị “căng thẳng” ngoài không gian
Bên cạnh việc xây dựng môi trường trồng cây, các nhà khoa học còn phải bảo đảm cây trồng luôn khỏe mạnh trong điều kiện khắc nghiệt ngoài không gian. Đó là lĩnh vực mà công ty SafetySpect đang theo đuổi.
Doanh nghiệp có trụ sở tại bang North Dakota (Mỹ) đang phát triển một thiết bị cầm tay có khả năng theo dõi sức khỏe cây trồng theo thời gian thực.
Thiết bị sử dụng công nghệ quang phổ để phân tích cách vật chất tương tác với ánh sáng, từ đó xác định các dấu hiệu sinh học cho thấy cây đang chịu áp lực từ môi trường như nhiệt độ, độ ẩm, mầm bệnh hoặc cường độ ánh sáng không phù hợp.
Dữ liệu thu thập được sẽ được xử lý bằng các thuật toán AI nhằm phát hiện sớm các dấu hiệu bất thường trước khi cây bị tổn thương nghiêm trọng.
Theo đồng sáng lập SafetySpect, ông Fartash Vasefi, mục tiêu cuối cùng là xây dựng một hệ thống cảnh báo sớm giúp phi hành gia phát hiện và xử lý các vấn đề của cây trồng.
Công ty đang phát triển phiên bản thiết bị tích hợp chip AI của NVIDIA, có thể hoạt động độc lập mà không cần kết nối đám mây, phù hợp với môi trường không gian.
Trồng rau trên Mặt Trăng có thể mở ra ngành kinh doanh mới
Theo các chuyên gia, nếu các chương trình xây dựng căn cứ Mặt Trăng được triển khai đúng kế hoạch, nông nghiệp không gian có thể trở thành một lĩnh vực kinh doanh hoàn toàn mới trong ngành công nghiệp vũ trụ.
Ngoài việc cung cấp thực phẩm cho phi hành gia, cây trồng còn có thể được sử dụng để sản xuất thuốc, nhiên liệu sinh học và nhiều vật liệu cần thiết cho các sứ mệnh dài ngày.
Dù việc trồng rau trên Mặt Trăng vẫn còn ở giai đoạn thử nghiệm, những công nghệ đang được phát triển hôm nay có thể trở thành nền móng cho các hệ thống sản xuất lương thực quy mô lớn trên Mặt Trăng, sao Hỏa và các điểm đến xa hơn trong tương lai.

SafetySpect đang phát triển thiết bị cầm tay theo dõi sức khỏe cây trồng theo thời gian thực trong môi trường không gian. Ảnh: SafetySpect

Mẫu nhà kính tự động Bloom của Interstellar Lab, dự kiến được triển khai trên bề mặt Mặt Trăng trong khuôn khổ chương trình Artemis 4. Ảnh: Interstellar Lab

Nhóm nghiên cứu thử nghiệm hệ thống LEAF tại Trung tâm Vũ trụ Johnson của NASA. Ảnh: Space Lab Technologies