Sản xuất nhiên liệu trên Mặt Trăng: Thách thức năng lượng cho giấc mơ chinh phục vũ trụ
Bài viết phân tích chi phí năng lượng để sản xuất oxy trên Mặt Trăng, một yếu tố quan trọng cho việc tiếp nhiên liệu cho các sứ mệnh không gian sâu trong tương lai. Nghiên cứu cho thấy việc sản xuất oxy từ regolith, lớp bụi phủ trên bề mặt Mặt Trăng, đòi hỏi năng lượng đáng kể, đặt ra thách thức về quy mô cơ sở hạ tầng cần thiết.
Việc tiếp nhiên liệu cho tên lửa ngoài Trái Đất là chìa khóa để mở rộng sự hiện diện của con người trong Hệ Mặt Trời. Trong khi quỹ đạo Trái Đất thấp mang lại sự thuận tiện về khoảng cách, việc thoát khỏi trọng lực Trái Đất lại tiêu tốn nhiều năng lượng. Mặt Trăng là một lựa chọn thay thế hấp dẫn với trọng lực thấp hơn, cho phép vận chuyển nhiên liệu hiệu quả hơn vào không gian sâu.
Một nghiên cứu gần đây đã đánh giá chi phí năng lượng để sản xuất oxy trên Mặt Trăng, một thành phần quan trọng của nhiên liệu tên lửa. Kết quả cho thấy cần khoảng 24 kWh để sản xuất một kg oxy. Con số này thoạt nghe có vẻ không đáng kể, nhưng khi xét đến nhu cầu khổng lồ về oxy cho các sứ mệnh không gian, thách thức năng lượng trở nên rõ ràng.
Lợi thế của việc sản xuất nhiên liệu trên Mặt Trăng nằm ở trọng lực thấp hơn so với Trái Đất. Tên lửa phóng từ Mặt Trăng đến điểm Lagrange Trái Đất-Mặt Trăng (EML1) chỉ cần khoảng 4 kg nhiên liệu cho mỗi kg tải trọng, so với 25 kg nếu phóng từ Trái Đất. Điều này làm cho Mặt Trăng trở thành một điểm trung chuyển nhiên liệu lý tưởng cho các sứ mệnh không gian sâu.
Nguồn oxy tiềm năng trên Mặt Trăng là regolith, lớp bụi giàu khoáng chất bao phủ bề mặt. Ilmenite (FeTiO3), một khoáng chất phổ biến trong regolith, được chọn làm nguồn oxy trong nghiên cứu này. Quá trình sản xuất oxy liên quan đến việc tách oxy từ ilmenite bằng phản ứng với hydro ở nhiệt độ cao, tạo ra nước. Nước sau đó được điện phân để thu hồi hydro và tạo ra oxy.
Nghiên cứu tập trung vào việc ước tính năng lượng cần thiết cho quá trình này. Ba bước tiêu tốn năng lượng nhiều nhất là phản ứng hydro nhiệt độ cao (55%), điện phân nước (38%) và hóa lỏng oxy (5%). Tổng năng lượng tiêu thụ khoảng 24 kWh/kg oxy lỏng.
Nhu cầu oxy cho một sứ mệnh không gian là rất lớn. Ví dụ, một tàu SpaceX Starship cần khoảng 80 tấn oxy lỏng để di chuyển từ Mặt Trăng đến EML1. Để đáp ứng nhu cầu này, cần có một cơ sở hạ tầng sản xuất oxy quy mô lớn trên Mặt Trăng.
Một mảng năng lượng mặt trời tương tự như trên Trạm Vũ trụ Quốc tế (ISS) với công suất 100 kW chỉ có thể sản xuất khoảng 4 kg oxy mỗi giờ. Với tốc độ này, việc sản xuất đủ oxy cho một chuyến Starship sẽ mất hơn hai năm. Do đó, cần xem xét các nguồn năng lượng khác như năng lượng hạt nhân để đảm bảo hoạt động liên tục của cơ sở sản xuất.
Nghiên cứu này cung cấp cái nhìn ban đầu về thách thức năng lượng trong việc sản xuất nhiên liệu trên Mặt Trăng. Việc phát triển các công nghệ hiệu quả hơn về năng lượng và lựa chọn nguồn năng lượng phù hợp sẽ là chìa khóa để hiện thực hóa giấc mơ chinh phục không gian sâu của loài người. Ngoài việc tập trung vào ilmenite, các nghiên cứu tiếp theo nên xem xét các nguồn oxy tiềm năng khác trên Mặt Trăng, chẳng hạn như nước đóng băng ở các cực, để tối ưu hóa quy trình sản xuất nhiên liệu.
