Cách nay vài chục năm, chuyện đào mỏ trên mặt trăng còn là chuyện khoa học viễn tưởng với hầu hết mọi người và là tư tưởng lập dị của một số người nhiệt tình nhất. bây giờ tiến bộ kỹ thuật và sự hỗ trợ chính trị hiếm hoi đã khiến cho việc này khả thi…
Con người đã đặt chân lên mặt trăng cách nay 50 năm, nhưng kề từ đó, không ai nghĩ ra cách nào tốt nhất để khai thác tài nguyên của hành tinh gần nhất của trái đất. Vào đầu tháng 5-2020, với một sắc lệnh hành pháp đã cho phép các công ty Hoa Kỳ khai thác mỏ trên mặt trăng, Chính quyền Trump đã mở cửa cho một tương lai khai thác thương mại trên thiên thể này. Nó khởi đầu cho thời kỳ có nhiều đề nghị khai thác mặt trăng hơn bao giờ hết. George Sowers, giáo sư thuộc Đại học Hầm mỏ Colorado, cho biết: “Bạn sẽ được Nhà Trắng chú ý trực tiếp ngay từ lúc này với các dự án khai thác. Từ đó, tôi nghĩ tương lai sẽ rất xán lạn”.
Sắc lệnh hành pháp này tạo ra kinh ngạc trong cuộc tranh cãi về thái độ của nước Mỹ đối với Hiệp ước Ngoài Không gian năm 1967. Ký kết trong thời Chiến tranh lạnh, hiệp ước này cấm xác định chủ quyền quốc gia trên các thực thể bên ngoài trái đất, nhưng không cấm khai thác thương mại.
Hiệp ước trải qua 60 năm có nguy cơ “chết toi” với đạo luật Cạnh tranh Phóng tàu Không gian Thương mại năm 2015 của Tổng thống Barack Obma cho phép người Mỹ sở hữu hợp pháp những điều thu hoạch được từ không gian. Sắc lệnh hành pháp mới này cho thấy Chính phủ Mỹ ủng hộ đạo luật nói trên. Nhưng còn phải tốn kém nhiều giấy mực hơn mới mở cửa được hầm mỏ trên mặt trăng. Thách thức kỹ thuật và kinh tế cho một cuộc phiêu lưu như thế là kinh hoàng, kể từ khi ý tưởng đầu tiên xuất hiện trong những năm 1960.
Lỳ lợm, một nhóm quốc tế các nhà công nghiệp, kỹ sư và nhà khoa học từ mấy chục năm qua đã thiết kế các hạ tầng cần thiết để khai thác mặt trăng như một tiền đồn công nghiệp. Các thí nghiệm và mô hình cho khả năng đào mỏ trên đó đã xuất hiện trong các phòng thí nghiệm của Chính phủ và tư nhân. Các lãnh vực then chốt như máy phát điện hạt nhân nhỏ gọn, robot không gian đào bới lớp đất trên bề mặt đã tiến bộ đến mức không chỉ để vui chơi, mà còn có thể thực hiện được.
Câu chuyện đào mỏ trên mặt trăng thực sự bắt đầu với sự xuất hiện của hai cây đại thụ về khoa học tên lửa. Một bên là Wernher Von Braun, nhà khoa học tiên phong gốc Đức, chủ trì dự án chế tạo tên lửa Saturn 5 của NASA. Ông và các học trò cho rằng các hành tinh là những viên ngọc trên vương miện của Thái dương hệ, trên đó có thể tìm thấy những khoa học tuyệt vời nhất. Dù chưa hề biết điều đó, Elon Musk thể hiện ý tưởng này khi nhắm mục tiêu vào sao Hỏa. Phóng một tàu không gian có người lên sao Hỏa là giấc mơ của ông, còn mọi thứ khác như mặt trăng chỉ là để giải trí.
Phía bên kia là nhà vật lý học người Mỹ Gerard K. O’Neill. Trong quyển sách xuất bản năm 1976 mang tên Biên giới cao (The High Frontier), ông chủ trương thiết lập cơ sở hạ tầng ngoài không gian, tránh được nhu cầu thoát khỏi hấp lực tiêu tốn năng lượng, phần khó khăn và tốn kém nhất của một chuyến bay ra ngoài không gian. Chiếm đóng trên quỹ đạo là chủ yếu của các dự án O’Neill và tận dụng nguồn nguyên liệu trên mặt trăng để tạo ra các trạm không gian khổng lồ quay chung quanh trái đất.
Jeff Bezos, nhà sáng lập công ty Blue Origin, tích cực ủng hộ ý tưởng này và còn cổ xúy cho các thế giới của O’Neill khi trình làng tàu đổ bộ mặt trăng Blue Moon vào tháng 5.2020. Philip Metzger, một cựu nhân viên NASA và nhà vật lý học thuộc Đại học Florida, nói: “Chúng tôi chưa bao giờ nghiên cứu hay xem xét, nhưng theo tôi biết, NASA rất ủng hộ quan điểm của Von Braun. Họ dự định thám hiểm sao Hỏa và muốn đưa người đầu tiên đến đó. Đó sẽ là một thắng lợi vẻ vang, vì thế NASA muốn dẫn đầu. Có một nhóm rất đông tại NASA chỉ xem mặt trăng là chuyện giải trí”.
Trận chiến giữa hai phe này sẽ diễn ra khi NASA tiến sâu hơn vào Thái dương hệ. Cái mà những người muốn khai thác mỏ trên mặt trăng lo sợ nhất là tái diễn điều xảy ra sau cuộc đổ bộ lên mặt trăng của những năm 1970. Metzger, một người ủng hộ O’Neill, nói: “Nếu chúng ta có thể hỗ trợ nền kinh tế trái đất bằng nền công nghiệp ngoài hành tinh, chúng ta có thể tạo ra một môi trường kinh tế để các chuyến bay đến sao Hỏa có giá cả phải chăng. Nếu chúng ta đi quá xa, và vươt quá khả năng của mình thì các chuyến bay đến sao Hỏa sẽ kết thúc bằng một cuộc rút lui giống như thời đại Apollo trước đó”.
Bán cái gì?
Ngay cả khi phe O’Neill đồng ý khai thác nguồn nguyên liệu trên mặt trăng, cũng không có sự đồng thuận trong việc làm cách nào để khai thác. Ngay cả câu hỏi cơ bản nhất – khai thác và bán cái gì? – cũng thay đổi theo thời gian! Mặt trăng có nhiều hàng hóa hấp dẫn, bao gồm kim loại cho xây dựng, silicon cho pin mặt trời và khí Helium 3 dùng trong các lò phản ứng dung hợp hạt nhân. Ý tưởng vượt trội là khai thác cái gì thừa thải trên mặt trăng mà hiếm hoi trên trái đất, mang về bán kiếm một ít tiền.
Với thời gian, câu hỏi sẽ là: Điều gì xảy ra nếu tiền kiếm được bằng cách bán các chất liệu để sử dụng ngay trong không gian thay vì mang về trái đất? Chất liệu khai thác được đó là khí oxygen. Metzger nói: “45% khối lượng của mặt trăng là oxygen và tốn kém nhất của tàu không gian là chất oxygen”. Ý tưởng là khai thác oxygen dùng làm nhiên liệu và trong các hệ thống hỗ trợ cho cuộc sống, nhưng lại là “nhập khẩu” hydrogen cần thiết từ trái đất! Loại mỏ này có thể thực hiện bất cứ nơi đâu trên mặt trăng bằng cách “cạo ra” từ lớp đất mịn ngậm O2 trên bề mặt. Nhưng trước mắt là phải sử dụng hydrogen tìm thấy trên mặt trăng, nghĩa là tập trung vào các khối nước đá nằm dưới các hố sâu.
Sowers cho biết: “Nước đá là thay đổi lớn nhất sau thời kỳ Apollo. Điều này chỉ mới xảy ra gần đây thôi. Bạn có thể tách nước thành ra hydrogen và oxygen, những chất tạo ra sức đẩy hữu hiệu nhất. Bạn có được nhiên liệu cho tên lửa”. Mọi cái đến từ thu hoạch nước đá. Bởi vì trái đất là láng giềng gần nhất, mặt trăng là nơi khai thác hợp lý. Đã có một đạo quân tàu không gian quay quanh mặt trăng, từ tàu thăm dò Clementine xa xưa cho đến hiện nay là Lunar Reconnaissance Orbiter và chúng đều tìm thấy có nước đá nằm trong các hố sâu, tăm tối của mặt trăng.
Cách nay hơn 10 năm, một tàu thăm dò tên LCROSS rơi xuống một cái hố tăm tối triền miên ở phía sau mặt trăng và bị vỡ nát. Con tàu thăm dò sau đó đến lấy mẫu đất đá tại đây và phát hiện có hơn 5% nước! Như vậy là có nước đá bên dưới. Từ đó, NASA liên tục có các dự án tìm kiếm nước ở phía sau mặt trăng. Từ Commercial Lunar Payload Service – CLPS cho đến Landers và MoonRanger để đo đạc trữ lượng nước. Quan trọng nhất là dự án Volatiles Investigating Polar Exploration Rover (VIPER) vào năm 2022 để lập bản đồ… nước trên mặt trăng!
Chưa có dự án nào thực sự thăm dò nước đá nằm dưới các hố sâu tăm tối. Sowers cho biết: “Chúng ta chưa bao giờ đổ bộ xuống những vùng tối tăm triền miên này và có các thiết bị đo đạc để lấy mẫu và xác định với độ tin cậy cao là có nước đá. Chúng ta cũng chưa biết về tình trạng của nước đá và sự pha trộn với lớp đất mặt ra sao”. Khi bí mật của nước trên mặt trăng được xác định, câu hỏi kế tiếp là làm sao chuyển đổi thành nhiên liệu cho tên lửa.
Đào mỏ trên mặt trăng không giống với trái đất. Phải dùng nhiệt để hâm nóng bề mặt mặt trăng cho nước đá tan chảy ra thành hơi, vượt qua giai đoạn lỏng. Hơi nước được chuyển sang một tấm bạt lớn để nguội lại thành nước và đi thẳng qua nhà máy điện giải để phân hủy thành hydrogen và oxygen. Báo cáo của Sowers cho thấy: “Thiết bị sản xuất chất đẩy nặng tổng cộng trên 26 tấn, sản xuất ra khoảng 1.100 tấn mỗi năm, có thể triển khai trên mặt trăng với giá khoảng 2,5 tỉ USD. Kinh doanh sơ bộ cho thấy có lời về thương mại và nhu cầu về chất đẩy của Chính phủ. Thiết bị có thể hoạt động ít nhất trong 10 năm”.
Một sự phản đối kịch liệt với tất cả những điều này. Mặt đất phải hâm nóng lên nhiệt độ đủ cao để bảo đảm nước đá chuyển thành hơi nước với công suất hiệu quả của công nghiệp. Sowers ước tính năng lượng cần thiết là 2,8 triệu megawatt. Lấy đâu ra số năng lượng này trong một cái hố sâu của mặt trăng? Câu trả lời là dùng một lò phản ứng hạt nhân cỡ nhỏ. Năm 2018, các nhà nghiên cứu thuộc Phòng thí nghiệm Quốc gia Los Alamos và NASA đã dùng một lò phản ứng hạt nhân công suất tầm cỡ kilowatt hoạt động liên tục trong 28 giờ để chứng minh có thể cung cấp đủ năng lượng này với kỹ thuật có tên là Kilowatt Reactor Using Stirling Technology (KRUSTY). Nó có thể hữu hiệu để hoạt động ngoài không gian, vì gọn nhẹ và công suất cao.
Nhiều công ty đua nhau sản xuất loại lò phản ứng hạt nhân mini này để chuẩn bị cho các chương trình khai thác mỏ trên mặt trăng. Chẳng hạn UltraSafe Nuclear Corp. đang rao bán lò phản ứng hạt nhân có tên Pylon để sử dụng trên mặt trăng.
Với ý tưởng khai thác mỏ trên mặt trăng đã ra đời từ trên nửa thế kỷ qua, không phải chỉ có người Mỹ độc quyền về chuyện này. Cơ quan Không gian châu Âu (ESA) đang hướng về hệ thống điện giải muối nóng chảy mà họ gọi là “Điển hình đầu tiên của quy trình khai thác bột đất đá mặt trăng – regolith – có vẻ như thu hoạch được tất cả oxygen. Thay vì nung chảy regolith, chỉ cần đun nóng lên 950oC. Một dòng điện khiến cho oxygen tách ra khỏi regolith và di chuyển xuyên qua lớp muối để tập trung vào điện cực âm”. ESA cho biết: “Hơn nữa, quy trình này còn biến regolith thành một hợp kim có thể sử dụng được”.
Giáo sư Beth Lomax, thuộc Đại học Glasgow, được ESA tài trợ cho biết: “Có thể thu hoạch được oxygen từ nguồn nguyên liệu trên mặt trăng rõ ràng là có lợi ích khổng lồ cho định cư trong tương lai. Vừa cung cấp khí thở, vừa cung cấp nhiên liệu cho tên lửa”.
Một ý tưởng khác, do Sowers đề nghị, là mượn một sáng kiến từ thời cổ: sử dụng gương phản chiếu. Nhà toán học Hy Lạp Archimède đã sử dụng gương phản chiếu để gom đủ ánh sáng mặt trời đốt cháy chiến thuyền gỗ của quân xâm lược. Tương tự như vậy, những tấm gương di chuyển được gắn quanh miệng hố có thể phản chiếu ánh sáng mặt trời xuống các túi nước đá. Đặt 3 tấm gương ở khoảng cách 1200 quanh miệng hố có thể bảo đảm đủ ánh sáng chiếu rọi, và thêm 2 cái nữa vào chiếc lều chặn hơi nước, để cung cấp cho nhà máy điện giải.
Một kế hoạch thứ ba cũng được nói đến để làm tan chảy nước đá. Metzger được sự tài trợ của NASA để điều tra về những hố cạn có chứa nước đá dạng hạt mịn. Ông nói: “Nếu nó có thật, cách dễ dàng nhất để khai thác là tách rời chúng ra”. Năng suất nước đá của những cái hố cạn ít hơn – khoảng 2% so với 5% và không ở trên bề mặt như các chiếc hố sâu. Nhưng lại không có những thách thức lớn như các hố sâu, đặc biệt là nhu cầu năng lượng cao. Một hệ thống đào-và-rây đơn giản hơn, khai thác ngay trước tiên có thể thành hình và hoạt động. Metzger nói: “Chúng ta phải đi từng bước như trẻ con. Vì thế, phải đeo đuổi theo những vùng bị che bóng tối liên tục cạn. Phải khai thác trước tiên để có được lợi nhuận kinh tế”.
Đào mỏ trên mặt trăng đã từng có lúc giống như một chuyện khoa học viễn tưởng, bất khả thi. Nhưng bây giờ đã có những khái niệm hoàn toàn hiện thực, có thể tiến hành trong tầm tay. Với sự hỗ trợ tích cực của NASA và Nhà Trắng, cơ hội đã rõ rệt, và người ta sẵn sàng chộp lấy. Metzger nói: “Có sự đầu tư của Chính phủ, chúng ta có thể bắt đầu khởi nghiệp. Càng sớm bắt đầu, cuộc sống trên trái đất càng sớm cải thiện”.
