Cách các nhà khoa học lên kế hoạch biến đất trên Sao Hỏa và Mặt Trăng thành bê tông không gian

Không cần phải nói thì nhiều người trong số chúng ta có thể đã biết rằng trong tương lai gần, nếu con người sống trên Sao Hỏa, Mặt Trăng hoặc tại bất kỳ hành tinh nào trong không gian xa xôi, họ sẽ phải trải qua một cuộc sống chủ yếu dựa trên sự tự cung tự cấp.

Điều này có nghĩa là họ sẽ cần phải có các phương tiện cần thiết để tự sản xuất thức ăn, nhiên liệu và thậm chí là không khí ngay tại chỗ. Tuy nhiên, muốn làm được điều đó thì đầu tiên, họ phải có được một nơi trú ẩn an toàn, và việc xây dựng một khu định cư lâu dài cách xa Trái Đất có lẽ là nhiệm vụ khó khăn nhất trong số đó.

Theo những tính toán hiện tại, chi phí để mang 1 kg hàng hóa ra bên ngoài bằng SpaceX Falcon, tên lửa hiện thường xuyên được sử dụng để cung cấp cho Trạm vũ trụ quốc tế sẽ tiêu tốn khoảng 2.700 USD (khoảng 632 triệu VNĐ).

Tuy nhiên, chi phí để đưa một kg vật liệu lên Sao Hỏa sẽ có chi phí cao hơn gấp nhiều lần - Mars Curiosity tiêu tốn khoảng 2,5 tỷ đô la để hạ cánh một chiếc tàu lượn 889 kg lên Sao Hỏa, với chi phí mỗi kg khoảng 2,78 triệu đô la.

Và ngay cả khi bạn có rất nhiều tiền thì tải trọng tối đa trong mỗi chuyến hành trình cũng bị hạn chế, bởi vậy chúng ta không thể vận chuyển bất kỳ loại vật liệu xây dựng nào lên Sao Hỏa hoặc thậm chí là Mặt Trăng.

Mặc dù vậy, các nhà địa chất và hóa học tại Đại học Delaware có một ý tưởng đầy hứa hẹn: sử dụng các nguồn tài nguyên thiên nhiên đã có ở điểm đến để sản xuất vật liệu xây dựng.

Điều đó nghe có vẻ như là một điều hiển nhiên phải làm, nhưng việc biến các chất trên bề mặt của Sao Hỏa thành vật liệu xây dựng đáng tin cậy và hiệu quả là điều không hề đơn giản đối với những nghiên cứu trước đó.

Một yêu cầu chính đối với bất kỳ khu định cư ngoài Trái Đất chính là độ bền và sức mạnh. Và lúc này, bê tông là sự lựa chọn tuyệt vời, nhưng công thức để sản xuất ra bê tông yêu phải có cầu xi măng - vật liệu không thể mang theo trong không gian.

Để giải quyết vấn đề này, các nhà nghiên cứu do giáo sư Norman Wagner của Đại học Delaware dẫn đầu đã chuyển sang nghiên cứu hóa học geopolymer. Geopolyme là các polyme vô cơ bao gồm các khoáng chất aluminosilicat tạo thành vật liệu rắn giống như gốm ở nhiệt độ môi trường gần. Ở Trái Đất, chúng thường được tìm thấy trong đất sét hầu như ở khắp mọi nơi trên thế giới.

Khi trộn các geopolyme này với dung môi alkaloid, chẳng hạn như natri silicat, đất sét bị hòa tan, giải phóng nhôm và silic để phản ứng với các chất khác và tạo thành vật liệu mới - và điều này bao gồm cả xi măng.

Đất trên Sao Hỏa hoặc Mặt Trăng cũng chứa những loại đất sét phổ biến này nhưng để làm được điều đó bên ngoài Trái Đất lại là "điều không hề đơn giản" Wagner nói. “Bạn không thể chỉ nói rằng chỉ cần có đất sét, chúng ta có thể thực hiện thành công quá trình này. Tuy nhiên vẫn có những thước đo về tính chuẩn xác, và các yếu tố hóa học mà bạn phải tính toán kỹ lưỡng đối với môi trường ngoài Trái Đất".

Đối với nghiên cứu mới này, các nhà khoa học đã trộn đất mô phỏng trên Sao Hỏa và Mặt trăng với natri silicat, sau đó đúc hỗn hợp lỏng trong các khuôn hình lập phương. Sau một tuần, vật liệu từ mỗi khuôn khối được lấy ra, đo và cân, trước khi chúng được kiểm tra cấu trúc để xem chúng có thể chịu được tải trọng bao nhiêu. Các vật liệu cũng phải chịu các yếu tố môi trường khác nhau mà chúng sẽ gặp phải trong không gian, bao gồm cả chân không, cũng như nhiệt độ cao và thấp.

Wagner nói: "Khi một tên lửa cất cánh, có rất nhiều trọng lượng đẩy xuống bệ hạ cánh, do đó, cường độ nén của vật liệu trở thành một thước đo quan trọng. Ít nhất là trên Trái Đất, chúng ta đã có thể tạo ra các vật liệu ở dạng hình khối nhỏ có cường độ nén cần thiết để thực hiện công việc này".

Các nhà nghiên cứu đã báo cáo việc chuyển đổi thành công một chất mô phỏng regolith trên Sao Hỏa và ba chất mô phỏng regolith trên Mặt Trăng thành chất kết dính geopolymer. Các thử nghiệm cho thấy xi măng geopolymer có cường độ nén kém khi được hình thành trong điều kiện chân không. Trong khi đó, ở nhiệt độ -80 độ C trở xuống, geopolymer hoàn toàn không trải qua phản ứng hóa học. Điều này cho thấy rằng các phi hành gia sẽ phải đúc những vật liệu này trong một môi trường có áp suất và geopolymer sẽ phải được làm nóng.

Thay vì đóng gói những bao tải xi măng để gửi lên Sao Hỏa, thì với kết quả nghiên cứu này, các phi hành gia chỉ cần mang theo dung môi bên mình. Số lượng mà họ cần để xây dựng một khu định cư có kích thước vừa phải có thể rất phù hợp với phạm vi trọng tải của một tên lửa phóng lên Sao Hỏa.

Geopolyme cần ít nước hơn so với xi măng truyền thống để sản xuất vì bản thân nước không bị hấp thụ bởi phản ứng. Điều này có nghĩa là nó có thể được phục hồi và sử dụng lại. Các nhà nghiên cứu tại Đại học Delaware đang bận rộn xây dựng những ngôi nhà in 3D bằng cách sử dụng xi măng geopolymer, họ dự định kích hoạt bằng công nghệ vi sóng.

Tham khảo: Advances in Space Research; Zmescience; Space