Trung Quốc chứng minh quang hợp nhân tạo trên quỹ đạo, tạo ra oxy và nhiên liệu tên lửa

Thử nghiệm đơn giản trên quỹ đạo mở đường cho các chuyến bay vũ trụ tự chủ

Trung Quốc tuyên bố đạt được thành tựu đầu tiên trong sản xuất tài nguyên ngoài không gian. Trên trạm vũ trụ Tiangong, phi hành đoàn Thần Châu-19 đã sử dụng một thiết bị quang hợp nhân tạo nhỏ gọn để biến carbon dioxide và nước thành hai chất thiết yếu: oxy có thể hít thở và ethylene, một hydrocarbon có thể dùng làm nguyên liệu sản xuất nhiên liệu đẩy tên lửa. Cuộc trình diễn, được thực hiện qua 12 lượt chạy có kiểm soát bên trong một thiết bị dạng ngăn kéo, cho thấy các phản ứng hóa học cốt lõi mà thực vật thực hiện trên Trái Đất có thể được ứng dụng trên quỹ đạo.

Điều khiến kết quả này nổi bật không chỉ là những sản phẩm tạo ra, mà còn là điều kiện tiến hành. Hệ thống hoạt động ở nhiệt độ phòng và áp suất tiêu chuẩn, thay vì những điều kiện khắc nghiệt mà nhiều nhà máy hóa chất đòi hỏi. Trong môi trường vi trọng lực, các phi hành gia cũng kiểm soát chính xác dòng khí và chất lỏng, vốn là thách thức đã biết do bong bóng không nổi lên và chất lỏng không lắng xuống. Nhóm nghiên cứu ghi nhận sản phẩm theo thời gian thực, xác nhận quá trình tạo oxy và hình thành hydrocarbon.

Công nghệ này được phát triển tại Trung Quốc từ năm 2015. Việc chứng kiến nó vận hành trong không gian là một cột mốc đối với mọi kế hoạch nhằm hỗ trợ phi hành đoàn mà không cần tiếp tế liên tục. Nếu tàu vũ trụ có thể sản xuất không khí và nhiên liệu ngay trên hành trình, các sứ mệnh sẽ nhẹ hơn, an toàn hơn và linh hoạt hơn. Bộ công cụ tương tự có thể được mở rộng tới các tiền đồn trên Mặt Trăng hoặc Sao Hỏa, nơi nước và carbon dioxide tồn tại dưới dạng băng hoặc trong khí quyển.

Giới chức cho biết có thể điều chỉnh hệ thống bằng cách thay chất xúc tác để tạo ra các sản phẩm khác, trong đó có methane và axit formic. Methane vốn là nhiên liệu tên lửa được ưa chuộng, trong khi axit formic có thể làm nguyên liệu đầu vào cho các phản ứng hóa học phức tạp hơn, bao gồm các bước hướng tới tổng hợp đường phục vụ nghiên cứu sản xuất thực phẩm. Tính linh hoạt này gợi mở tương lai trong đó một thiết bị có thể đảm nhiệm nhiều việc, từ hỗ trợ sự sống đến cung cấp nhiên liệu đẩy.

Cách hệ thống hoạt động

Quang hợp nhân tạo mô phỏng cơ chế của thực vật, nhưng sử dụng vật liệu được chế tạo thay vì lá cây. Nói đơn giản, quá trình này gồm hai nửa. Một nửa tách nước thành oxy, đưa O2 vào khoang sinh hoạt. Nửa còn lại lấy carbon dioxide, bổ sung electron và hydro để tạo thành các phân tử như ethylene, methane hoặc formate. Năng lượng đến từ ánh sáng Mặt Trời được chuyển đổi bằng pin Mặt Trời, hoặc từ ánh sáng kích hoạt trực tiếp chất xúc tác bán dẫn bên trong thiết bị.

Giải thích đơn giản về phản ứng hóa học

Bên trong thiết bị Tiangong, chất xúc tác bán dẫn tạo ra bề mặt để carbon dioxide và nước tương tác. Khi có năng lượng, chất xúc tác giúp sắp xếp lại các nguyên tử. Nước nhường oxy và hydro. Carbon dioxide cung cấp carbon. Tùy thuộc vào chất xúc tác, các nguyên tử carbon kết hợp theo những cách khác nhau. Chất xúc tác gốc đồng thường liên kết các nguyên tử carbon để tạo thành ethylene. Các vật liệu khác ưu tiên tạo methane hoặc carbon monoxide. Các kỹ sư lựa chọn chất xúc tác để thu được hỗn hợp mong muốn.

Thiết bị được đưa lên Tiangong dường như sử dụng các phản ứng ở nhiệt độ phòng, không cần bình áp suất cao hay nhiệt độ tăng cao. Điều này giảm nhu cầu điện năng, yếu tố thiết yếu trên tàu vũ trụ vốn phải quản lý từng watt điện. Thiết bị cũng dễ tích hợp hơn với hệ thống quản lý không khí, vì oxy có thể lưu thông ở áp suất khoang sinh hoạt, còn hydrocarbon có thể được lưu trữ hoặc chuyển tới khâu xử lý mà không cần máy nén công suất lớn.

Phi hành đoàn Tiangong thực sự đã làm gì

Phi hành đoàn Thần Châu-19, bắt đầu sứ mệnh vào cuối tháng 10/2024, đã tiến hành 12 thí nghiệm bên trong một mô-đun dạng ngăn kéo. Thiết bị chứa các chất xúc tác, kênh dẫn chất lỏng và cảm biến cần thiết để kiểm soát phản ứng ba pha gồm khí, lỏng và rắn. Nhóm đã xác nhận việc tạo oxy và đo sự xuất hiện của ethylene, sản phẩm mục tiêu quan trọng trong nghiên cứu nhiên liệu đẩy.

Thách thức trọng tâm là kiểm soát chất lỏng trong môi trường vi trọng lực. Trên Trái Đất, khí và chất lỏng tự nhiên phân tách. Trên quỹ đạo, sức căng bề mặt chi phối. Phần cứng Tiangong có các kênh dẫn, màng và bộ điều khiển dòng chảy giúp giữ các chất phản ứng tiếp xúc với chất xúc tác, đồng thời đưa sản phẩm ra ngoài để phản ứng tiếp diễn. Thí nghiệm ghi nhận chuyển động của khí và đặc tính phân tách nhằm định hướng các thiết kế tương lai.

Vì sao việc kiểm soát trong môi trường vi trọng lực quan trọng

Nếu bong bóng bám vào chất xúc tác, sản lượng sẽ giảm. Nếu chất lỏng không tiếp cận đồng đều bề mặt phản ứng, các điểm quá nóng hoặc vùng khô sẽ hình thành. Kiểm soát dòng chảy chính xác là yếu tố phân biệt một thử nghiệm trong phòng thí nghiệm với dòng sản phẩm có thể cấp vào bồn chứa. Dữ liệu thu thập trên Tiangong cung cấp cho các kỹ sư cơ sở cần thiết để mở rộng quy mô quy trình.

Thử nghiệm này bổ sung vào danh sách ngày càng dài các thử nghiệm trên trạm vũ trụ nhằm tìm hiểu cách những quy trình thường ngày vận hành khi không có trọng lực. Các nghiên cứu trước đây trên Tiangong bao gồm trồng rau diếp và cà chua, thậm chí đốt một que diêm để nghiên cứu đặc tính ngọn lửa. Những nghiên cứu này xây dựng kiến thức thực tiễn cần thiết để vận hành nhà máy và trang trại ngoài Trái Đất.

Ý nghĩa đối với hỗ trợ sự sống và động cơ đẩy

Mỗi kilogram hàng hóa không phải phóng khỏi Trái Đất bằng tên lửa đều giúp tiết kiệm chi phí và giảm rủi ro. Oxy là ví dụ điển hình. Trạm Vũ trụ Quốc tế sản xuất oxy bằng cách tách nước trong thiết bị điện phân chạy bằng các tấm pin Mặt Trời. Nghiên cứu ước tính việc tạo oxy tiêu thụ khoảng một phần ba ngân sách năng lượng dành cho hệ thống hỗ trợ sự sống của trạm. Phương pháp này hiệu quả, nhưng tiêu tốn nhiều điện và hệ thống vẫn phụ thuộc vào việc tiếp tế nước cùng vật tư tiêu hao định kỳ.

Quang hợp nhân tạo mở ra một hướng đi thứ hai. Công nghệ này có thể chuyển carbon dioxide do phi hành gia thở ra trở lại thành oxy, đồng thời tạo các phân tử hydrocarbon làm nhiên liệu ngay trong cùng một thiết bị. Các phản ứng có thể diễn ra ở nhiệt độ phòng và áp suất khoang sinh hoạt, giúp giảm nhu cầu điện. Một trạm hoặc căn cứ tự sản xuất oxy và nhiên liệu đẩy có thể kéo dài khoảng cách giữa các đợt tiếp tế và dành nhiều điện hơn cho khoa học cùng hoạt động vận hành.

Danh mục sản phẩm cũng mang lại giá trị. Methane kết hợp với oxy lỏng trong nhiều động cơ hiện đại, bao gồm các thiết kế hướng tới khả năng tái sử dụng. Axit formic có thể lưu trữ hydro dưới dạng hóa học để dùng sau. Ethylene có thể được đốt trực tiếp hoặc tinh chế thành nhiên liệu và vật liệu khác. Một hệ thống biến carbon thải thành các phân tử hữu ích sẽ nâng cao giá trị của từng lít nước và từng watt ánh sáng Mặt Trời trên trạm.

Ethylene có thể làm nhiên liệu cho tàu vũ trụ thực sự không

Ethylene là một hydrocarbon đơn giản gồm hai nguyên tử carbon. Chất này dễ cháy khi kết hợp với oxy lỏng và có thể làm nhiên liệu cho động cơ hoặc động cơ đẩy. Ethylene đã được sử dụng trong các động cơ nghiên cứu và chuyến bay thử nghiệm. Hiệu suất phụ thuộc vào thiết kế động cơ, nhưng ethylene cùng nhóm với methane và propane. Ưu điểm trên quỹ đạo là ethylene có thể được tạo trực tiếp từ quá trình khử carbon dioxide khi sử dụng chất xúc tác gốc đồng.

Phương án này cũng có những đánh đổi. Ở nhiệt độ phòng, ethylene ở thể khí nên cần nén hoặc làm lạnh để lưu trữ. Nhiều sứ mệnh chuộng methane hơn vì dễ xử lý ở nhiệt độ đông lạnh cùng với oxy lỏng. Ethylene cũng có thể làm nguyên liệu đầu vào. Qua xử lý bổ sung, chất này có thể được chuyển thành chất lỏng hoặc nhựa hữu ích cho sản xuất. Thí nghiệm Tiangong cho thấy nhóm có thể tạo ethylene theo mục tiêu, nhưng các sứ mệnh tương lai có thể điều chỉnh lại chất xúc tác để ưu tiên methane hoặc formate tùy ứng dụng.

Lựa chọn nhiên liệu đẩy chỉ là một phần câu chuyện. Trong hầu hết tên lửa hóa học, oxy chiếm phần nặng hơn trong tổ hợp nhiên liệu đẩy. Bất kỳ thiết bị nào có thể sản xuất oxy với chi phí thấp ngoài không gian đều giúp giảm khối lượng cần phóng. Ngay cả khi ban đầu hydrocarbon vẫn được đưa từ Trái Đất lên, một trạm tự cung cấp oxy tại chỗ cũng sẽ giúp các phép tính cho sứ mệnh trở nên thuận lợi hơn.

Từ trạm vũ trụ đến Mặt Trăng

Trung Quốc đã công bố mục tiêu đưa phi hành gia lên Mặt Trăng trước năm 2030 và xây dựng Trạm Nghiên cứu Mặt Trăng Quốc tế vào đầu đến giữa thập niên 2030. Các thông tin năm 2024 mô tả kế hoạch sử dụng robot lắp ráp một lò phản ứng hạt nhân nhỏ gọn để cấp điện cho căn cứ này. Năng lượng chỉ là một phần. Tiếp theo là nguồn cung không khí và nhiên liệu không phụ thuộc vào các chuyến hàng tiếp tế. Thử nghiệm trên Tiangong được xem là nền tảng cho mục tiêu đó.

Chuỗi cung ứng trên quỹ đạo trong tương lai

Một yếu tố khác là khả năng di chuyển và chia sẻ nhiên liệu đẩy trên quỹ đạo. Tháng 1/2025, Trung Quốc phóng vệ tinh Thực Tiễn-25 để thử nghiệm công nghệ tiếp nhiên liệu. Khi kết hợp với sản xuất trên trạm, các thử nghiệm tiếp nhiên liệu gợi mở một chuỗi cung ứng trong đó một nền tảng sản xuất các thành phần nhiên liệu, còn nền tảng khác phân phối chúng tới vệ tinh hoặc tàu chuyển tiếp. Một hệ thống thực tiễn có thể vận hành như sau: một nền tảng có người lái hoặc robot dùng quang hợp nhân tạo để biến CO2 và nước thành oxy cùng methane. Các vệ tinh chở nhiên liệu hẹn gặp để tiếp nhận và chuyển nhiên liệu đẩy tới những tàu vũ trụ cần tăng tốc. Trên bề mặt Mặt Trăng, một thiết bị tương tự cung cấp oxy cho khu cư trú và lưu trữ methane để phóng trở lại quỹ đạo. Mỗi địa điểm sử dụng ánh sáng Mặt Trời tại chỗ hoặc năng lượng hạt nhân để vận hành phản ứng hóa học.

Những việc cần làm tiếp theo

Thiết bị Tiangong là một thử nghiệm chứng minh khái niệm, chưa phải nhà máy. Để hỗ trợ phi hành đoàn hoặc tiếp nhiên liệu cho phương tiện, sản lượng cần tăng lên nhiều bậc độ lớn. Điều đó đòi hỏi diện tích phản ứng lớn hơn, quản lý nhiệt tốt hơn và chất xúc tác có thể hoạt động trong nhiều tháng mà không bị suy giảm hiệu quả. Bức xạ không gian và biến động nhiệt độ có thể làm vật liệu xuống cấp. Các kỹ sư sẽ cần kiểm tra độ bền lâu dài và thay thế linh kiện mà không phải đưa phần cứng cồng kềnh lên quỹ đạo.

Việc phân tách và lưu trữ cũng khó không kém. Oxy phải có độ tinh khiết cao để hít thở và dùng cho động cơ. Hydrocarbon cần được tách khỏi sản phẩm phụ, sau đó nén hoặc hóa lỏng an toàn. Việc xử lý oxy và nhiên liệu bên trong tàu vũ trụ làm tăng nguy cơ cháy mà các nhà thiết kế phải giảm thiểu bằng van, cảm biến và cơ chế cách ly nghiêm ngặt. Không thách thức nào trong số này là không thể vượt qua, nhưng chúng đòi hỏi kỹ thuật cẩn trọng và thử nghiệm lặp lại.

Việc tích hợp với các vòng tuần hoàn hỗ trợ sự sống sẽ quyết định lợi ích thực tế. Trên ISS, điện phân được kết hợp với một lò phản ứng chuyển CO2 và hydro thành nước cùng methane, khép kín một phần chu trình. Một trạm tương lai có thể chọn một trong hai quy trình hoặc kết hợp cả hai. Thiết kế tối ưu có thể thu CO2 từ không khí, liên tục tạo oxy và đưa nhiên liệu đầu ra vào kho lưu trữ khi điện năng dư thừa. Vận hành bằng robot sẽ thiết yếu để sử dụng thường xuyên.

Vị trí của công nghệ này trong nỗ lực toàn cầu

Sản xuất tài nguyên ngoài Trái Đất là trọng tâm chung của các cơ quan vũ trụ. NASA đã đưa thí nghiệm MOXIE lên xe tự hành Perseverance để chiết xuất oxy từ khí quyển Sao Hỏa, chứng minh một thiết bị nhỏ có thể tạo oxy trên hành tinh này. Cơ quan Vũ trụ châu Âu và nhiều phòng thí nghiệm nghiên cứu các chất xúc tác quang có thể chuyển đổi CO2 bằng ánh sáng Mặt Trời hoặc điện. Các công ty tư nhân thiết kế động cơ methane để sử dụng cùng oxy sản xuất tại chỗ. Những dự án này cùng theo đuổi một ý tưởng: sử dụng vật liệu tại chỗ để giảm khối lượng phóng.

Cho đến nay, phần lớn thử nghiệm hỗ trợ sự sống trên quỹ đạo tập trung vào trồng cây, sinh học và điện phân. Thử nghiệm trên Tiangong là báo cáo đầu tiên về một hệ thống khử carbon dioxide tạo ra hydrocarbon và oxy trên quỹ đạo ở nhiệt độ phòng và áp suất tiêu chuẩn. Bước tiến này kết hợp hỗ trợ sự sống với cung ứng nhiên liệu đẩy trong cùng một thiết bị. Nó nâng kỳ vọng về những gì các nền tảng tương lai sẽ thử nghiệm, dù là trên quỹ đạo Trái Đất tầm thấp, không gian giữa Trái Đất và Mặt Trăng hay bề mặt Mặt Trăng.

Cạnh tranh có thể thúc đẩy tiến bộ. Với kế hoạch xây dựng căn cứ Mặt Trăng và thực hiện các sứ mệnh không gian sâu, Trung Quốc sẽ muốn mở rộng quy mô công nghệ này. Mỹ, châu Âu, Nhật Bản và các bên khác đang triển khai những chương trình khai thác tài nguyên tại chỗ, và có thể sớm tiến hành các cuộc trình diễn của riêng mình. Với các kỹ sư, mục tiêu là tạo ra thiết bị thực tiễn có thể hoạt động trong nhiều tháng mà không gặp trục trặc.

Điểm chính

• Các phi hành gia Thần Châu-19 đã tiến hành 12 thí nghiệm quang hợp nhân tạo trên Tiangong.
• Thiết bị chuyển CO2 và nước thành oxy cùng ethylene ở nhiệt độ phòng và áp suất tiêu chuẩn.
• Khả năng kiểm soát chất lỏng trong môi trường vi trọng lực và phát hiện theo thời gian thực đã được xác nhận qua các lượt thử nghiệm.
• Bằng cách thay đổi chất xúc tác, hệ thống có thể tạo methane hoặc axit formic cho nhiều mục đích khác nhau.
• So với điện phân nước trên ISS, phương pháp này hướng tới giảm nhu cầu điện năng.
• Ethylene có thể làm nhiên liệu đẩy hoặc nguyên liệu đầu vào để sản xuất nhiên liệu và vật liệu khác.
• Trung Quốc đang kết hợp sản xuất trên quỹ đạo với các thử nghiệm tiếp nhiên liệu và kế hoạch đưa phi hành gia lên Mặt Trăng trước năm 2030.
• Những thách thức chính phía trước gồm tăng sản lượng, duy trì độ ổn định lâu dài, cũng như lưu trữ và xử lý an toàn.