Các kỹ sư đang xây dựng một nguyên mẫu của một nhà máy robot sẽ tạo ra nước, oxy và nhiên liệu trên bề mặt sao Hỏa.
Minh họa của nghệ sĩ cho thấy cách các robot có thể hoạt động tự động trên sao hoả, rất lâu trước khi con người chính thức đặt chân lên hành tinh này. Minh họa: Marek Denko/NoEmotion
Năm 2018, sau 18 tháng sống và làm việc, một nhóm gồm 6 nhà thám hiểm đã lên một tên lửa vận chuyển để rời khỏi sao Hoả. Không có người ở lại, nhưng công việc cứ tiếp diễn mà không có họ: robot tự động sẽ tiếp tục chạy một nhà máy khai thác và tổng hợp hóa học mà họ đã bắt đầu nhiều năm trước khi phi hành đoàn đầu tiên này đặt chân lên hành tinh này. Nhà máy sản xuất nước, oxy và nhiên liệu tên lửa sử dụng các nguồn lực địa phương, và nó sẽ xây dựng một cách có phương pháp tất cả các nguồn cung cấp cần thiết cho sứ mệnh sao Hỏa tiếp theo, được thiết lập trong vòng hai năm tiếp theo.
Nhà máy robot này không phải là khoa học viễn tưởng: Nó đãng được phát triển bởi nhiều nhóm nghiên cứu của NASA. Một trong số đó là Phòng thí nghiệm công trình đầm lầy tại Trung tâm vũ trụ John F. Kennedy của NASA, ở Florida. Chính thức, nó được biết đến như một hệ thống sử dụng tài nguyên tại chỗ (ISRU), nhưng những thành viên của nhóm nghiên cứu muốn gọi nó là nhà máy chống bụi, vì đơn giản nó biến bụi thành nhiên liệu tên lửa. Công nghệ này một ngày nào đó sẽ cho phép con người sống và làm việc trên sao Hỏa – và trở về trái Đất để kể câu chuyện về sự kì diệu đó.
Nhưng tại sao tổng hợp thứ trên sao Hỏa thay vì chỉ vận chuyển nó từ trái Đất? Theo một số ước tính, để vận chuyển một kg nhiên liệu từ trái Đất đến sao Hỏa, các tên lửa ngày nay cần đốt 225 kg nhiên liệu quá cảnh – phóng vào quỹ đạo trái Đất thấp, bắn về phía sao Hỏa, làm chậm để đi vào quỹ đạo sao Hỏa, và cuối cùng làm chậm đến một nơi hạ cánh an toàn trên bề mặt sao Hỏa. Chúng ta sẽ bắt đầu với 226 kg và kết thúc với 1 kg, tạo ra hiệu suất sử dụng 1: 226. Và tỷ lệ trên vẫn giữ nguyên bất kể chúng ta vận chuyển thứ gì. Cần 225 tấn nhiên liệu để gửi một tấn nước, một tấn oxy, hoặc một tấn máy móc, đó hoàn toàn là một sự lãng phí. Cách duy nhất để vượt qua tỷ lệ khắc nghiệt đó là tạo ra nước, oxy và nhiên liệu tại chỗ.
NASA đã phát triển một máy xúc robot với hai trống quay đối lập có thể đào và quay theo hướng ngược lại. Cách tiếp cận này hủy bỏ phần lớn lực cản, cho phép robot hoạt động ở trọng lực thấp.
RASSOR, viết tắt của Regolith Advanced Surface Systems Operations Robot, một phương tiện khai thác tự động được thiết kế cho một mục đích cụ thể: Để khai thác hoặc đào bụi bề mặt trong điều kiện trọng lực thấp trên bề mặt sao hoả. Việc đặt tên thiết bị là RASSOR – nghĩa là “dao cạo” – cho thấy các kỹ sư của NASA đã đặc biệt chú ý đến việc thiết kế hệ thống truyền động của nó. Thiết bị truyền động của robot bao gồm động cơ, hộp số và các cơ chế khác, chiếm phần lớn trọng lượng của hệ thống. Thiết kế này sử dụng động cơ không khung, phanh điện từ, và vỏ bọc titan in 3D,…. để giảm thiểu trọng lượng và khối lượng. Nỗ lực đó đã được đền đáp: Thiết kế này giảm một nửa khối lượng so với các thiết bị truyền động hiện có với các thông số kỹ thuật tương tự.
Để khai thác bụi bề mặt trên bề mặt sao Hoả, RASSOR sử dụng hai thùng trống đối lập, mỗi cái được trang bị một vài chiếc muỗng đào nhỏ. Khi trống của RASSOR quay và cánh tay giữ chúng nhúng xuống, chúng chỉ cạo một lượng nhỏ đất đá vào mỗi muỗng đào khi nó chạy chậm về phía trước. Điều này tạo ra một rãnh rãnh nông thay vì một lỗ sâu. Những thùng trống quay và rãnh đào rỗng bên trong cho phép chúng thu thập và giữ lại bụi bề mặt. Một tính năng quan trọng khác của RASSOR là, trong khi đào, thùng trống thực sự quay theo hướng ngược lại. Điều này hủy bỏ phần lớn lực cản và sẽ cho phép RASSOR hoạt động trong môi trường trọng lực thấp.
Một khi RASSOR đã đổ đầy thùng trống, nó sẽ nâng cánh tay và ổ đĩa của mình lên một cơ sở chế biến. Để dỡ bỏ bụi bề mặt, robot chỉ đơn giản quay trống ngược lại và bụi bề mặt được khai thác sẽ đổ ra từ các rãnh đào. Một thiết bị khác, một cánh tay robot, xử lý công việc tiếp theo. Nó nâng tải trọng của bụi bề mặt được khai thác lên boong của nhà máy và chuyển nó vào lò nướng. Lò nướng sẽ tự đóng kín và tăng nhiệt độ, làm khô thành phẩm bằng các quạt gió và thu thập nước từ bụi bề mặt khai thác tại các ống ngưng tụ.
Bạn có thể hỏi, “Không phải bụi bề mặt trên bề mặt sao Hoả là khô hay sao?” Câu trả lời là … khá phức tạp. Nó phụ thuộc chủ yếu vào nơi bạn đào, và bạn đào sâu như thế nào. Một số khu vực trên sao Hỏa dường như có những dải nước đá gần mặt đất, một số cồn cát ở các vĩ độ thấp hơn chứa tới 8% trọng lượng nước.
Sau khi tách nước, đất đá được tán nhỏ và sử dụng để xây dựng các kết cấu bảo vệ, tấm lót hay làm đường nhờ vào các phương pháp in 3D hiện đang được phát triển tại NASA.
Quy trình khai thác và xử lý cụ thể như sau:
Tất cả các nước được tách từ bụi bề mặt bề mặt được tinh chế thông qua một module sử dụng một hệ thống lọc nhiều tầng cùng với một số lưới khử ion.
Nước không chỉ để uống; nó cũng là thành phần chính cho nhiên liệu tên lửa. Bằng cách tách các phân tử H2O bằng một chất điện phân thành phân tử khí hydro (H2) và phân tử khí oxy (O2), sau đó nén và hóa lỏng cả hai loại khí này một cách riêng biệt, chúng ta có thể tổng hợp nhiên liệu và chất oxy hóa. Động cơ tên lửa được kích hoạt.
Vấn đề là hydro lỏng phải được bảo quản ở nhiệt độ cực thấp. Đó là lý do NASA dự định biến hydro thành một loại nhiên liệu dễ cất trữ hơn nhiều: mêtan (CH4). Bạn có thể lấy nó bằng cách kết hợp hydro với carbon. Nhưng chúng ta lấy carbon ở đâu trên sao Hỏa?
May mắn thay, sao Hỏa có rất nhiều cacbon. Bầu không khí sao Hỏa được tạo thành từ 96% phân tử khí carbon dioxide (CO2). Nắm bắt carbon đó là công việc của một tủ đông carbon dioxide; về cơ bản nó tách nước đá khô ra khỏi không khí mỏng.
Một khi chúng tôi đã thu thập khí hydro từ chất điện phân và carbon dioxide từ khí quyển, chúng ta có thể kết hợp chúng thành khí metan nhờ một quá trình hóa học gọi là phản ứng Sabatier. Một lò phản ứng đặc biệt mà NASA đang thiết kế tạo ra áp suất và nhiệt độ cần thiết để duy trì phản ứng đó và biến hydro và carbon dioxide thành khí metan, với nước làm phụ phẩm.
Các thiết bị tiếp theo trong nhà máy là một cánh tay robot để truyền chất lỏng cho một thiết bị chuyên chở. Hệ thống này cần được thiết kế để tránh bụi. Bụi bề mặt sao Hoả rất nhỏ và mịn, do vậy nó dính vào mọi thứ. Và bởi vì bụi bao gồm đá núi lửa bị nghiền nát, nó rất mài mòn và ảnh hưởng lớn tới việc vận hành và thời gian sử dụng thiết bị. (Các nhiệm vụ mặt trăng của NASA cho thấy rằng bụi bề mặt chịu trách nhiệm cho rất nhiều vấn đề, bao gồm kết qủa sai tại các dụng cụ đo, gât tắc nghẽn các cơ chế, mất ổn định kiểm soát nhiệt.) Vì vậy, giữ nó ra khỏi van, kết nối điện và chất lỏng, và bất kỳ thiết bị điện tử nhạy cảm là rất quan trọng.
Tác giả, Kurt W. Leucht, lập trình một cánh tay robot để kết nối một van chịu được bụi với một robot chuyên chở di động. Van được thiết kế để lấp đầy các thùng chứa của robot bằng nhiên liệu lỏng, nước và oxy.
Mỗi bên của van chứa một bộ cửa hoạt động giống như một khóa không khí, để tránh bụi. Hoàn thành một kết nối đòi hỏi ba bước riêng biệt: Việc đầu tiên liên quan đến việc nhấn các cánh cửa đóng trên mỗi bên với nhau, để một con dấu vành đai đặc biệt tạo ra một hàng rào chống bụi hoàn toàn xung quanh cả hai bộ cửa van. Trong bước thứ hai, các cánh cửa trên cả hai mặt của giao diện van mở bên trong con dấu chống bụi, tiết lộ các kết nối thực tế, được gắn trên một tấm di chuyển. Giai đoạn cuối cùng liên quan đến việc di chuyển các tấm với nhau và kết hợp vật lý với tất cả các đầu nối nguồn, điện và chất lỏng.
Một cánh tay robot trên thiệt bị vận chuyển sẽ nhấc van và hạ nó xuống để thiết lập kết nối và chuyển giao nguyên liệu. Hệ thống xử lý giống như một trạm nhiêu liệu trái đất, nhưng thay vì xăng, nó có thể phân phối nước, hoặc oxy lỏng, hoặc mêtan lỏng, hoặc cả ba!
Các thiết bị này đang được thực nghiệm tại Phòng thí nghiệm công trình đầm lầy ở Florida. Tại thời điểm này, lò nướng và thiết bị điện phân được mô phỏng để giảm chi phí và đô phức tạp. Ngoài ra ba sản phẩm cuối của quá trình xử lý tạm được thay thế bằng nước.
Ý tưởng cuối cùng là nhà máy sản xuất nhiên liệu tên lửa từ bụi sao Hoả này sẽ được đóng gói hoàn chỉnh thành một hộp nhỏ gọn, chuyển đến sao Hỏa, triển khai và khởi động trên bề mặt sao Hỏa trước khi những người thám hiểm con người đến. Nhiệm vụ của các nhà máy này là tự động sản xuất và lưu trữ nhiên liệu cho hoạt động của các phi hành gia từ Trái đất.
Mặc dù NASA có nhiều năm kinh nghiệm với các thiết bị khai thác tự động và các thiết bị di chuyển tự động trên bề mặt sao Hỏa, còn rất nhiều điều phải làm. Sự phức tạp của nhà máy nhiên liệu tên lửa Mars này và thời gian hoạt động dài liên tục yêu cầu hệ thống có một mức độ tự chủ ở cấp độ hoàn toàn mới.
Để kiểm tra các robot, NASA sử dụng một cơ sở khép kín với hơn 100 tấn đá núi lửa bị nghiền nát. Vật liệu này tương tự cho các hạt bụi cực kỳ mịn và mài mòn được tìm thấy trên bề mặt sao Hỏa. Ảnh: Glen Benson/NASA
Cùng với đó, rất nhiều thách thức kỹ thuật cần phải vượt qua trước khi một nhiệm vụ như thế này có thể thành công. Một trong những câu hỏi quan trọng nhất là hệ thống xử lý bề mặt sao Hỏa hiện tại có thể mở rộng để đáp ứng nhu cầu của một sứ mệnh con người trên sao Hỏa hay không. Các nghiên cứu gần đây của NASA ước tính rằng một hệ thống như thế này sẽ cần sản xuất khoảng 7 tấn metan lỏng và khoảng 22 tấn oxy lỏng trong khoảng 16 tháng. Sau đó, sẽ cần phải xác định nơi để hạ cánh và khai thác để tối đa hóa năng suất, số lượng máy xúc RASSOR cần thiết, và thời gian hoạt động mỗi ngày. Thêm vào đó, chúng ta cũng phải tìm hiểu xem kích thước tủ đông cacbon dioxit và lò phản ứng Sabatier và năng lượng cho các thiết bị này.
Hơn thế nữa, chúng ta cần phải dự đoán các vấn đề tiềm tàng có thể làm gián đoạn sứ mệnh và do đó trì hoãn nhiệm vụ con người tiếp theo. Chúng tôi sẽ phải ước tính tỷ lệ thất bại đó để dự phòng thiết bị.
Để đảm bảo rằng các công nghệ robot có thể hỗ trợ nhiệm vụ này trong nhiều năm mà không cần bảo trì hoặc sửa chữa, cần thiết kế các thông số kỹ thuật chuẩn xác theo một quy trình nghiêm ngặt. Tất cả các bộ phận truyền động cần có khả năng cách ly hoặc chịu được sự phá hoại từ các hạt bụi bề mặt. Độ phức tạp vấn đề sẽ tăng lên rất nhiều.
Thêm đó, chúng ra cũng cần thiết kế các phương thức đào thích hợp cho lớp bụi và băng hỗn hợp dưới bế mặt sao hoả. Các rãnh và răng đào hiện đang hoạt động tốt với hỗn hợp bụi và băng nhỏ, nhưng sẽ không phù hợp cho các bề mặt băng cứng. Cần phải có các thiết kế phù hợp nhằm tăng hiệu quả khai thác, hoặc cần các công cụ phức tạp hơn và mạnh mẽ hơn có thể xử lý một loạt mật độ đất và mật độ băng khác nhau.
Và chúng ta cần phải giải quyết những thách thức của việc lưu giữ lâu dài các chất lỏng. Công nghệ và vật liệu cách nhiệt và tàu áp lực không ngừng được cải thiện, nhưng các công nghệ hiện tại có hoạt động trên bề mặt sao Hỏa trong thời gian dài không là một câu hỏi mở.
Những năm tiếp theo, NASA đã tập trung tìm cách giải quyết những thách thức này. Và các mẫu thử nghiệm sẽ liên tục được phát triển, thử nghiệm để tăng khả năng và mức độ sẵn. Sẽ có các robot RASSOR mạnh hơn, nhẹ hơn và được kiểm tra trong môi trường giống Sao Hỏa. Sẽ có các thử nghiệm có tích hợp lò nướng và máy điện phân, cũng như việc tăng kích thước tủ đông carbon dioxide và lò phản ứng Sabatier để xác minh khả năng đáp ứng nhu cầu của một nhiệm vụ con người trên sao Hoả. Tất cả công việc này và nhiều hơn nữa sẽ tiếp tục thực hiện để hiện thực hoá giấc mơ sao Hỏa cả con người.
Tuyên Tạ (theo IEEE Spectrum)
