Muốn cải tạo sao Hoả, cần nâng áp suất khí quyển từ khoảng 6 mbar hiện nay lên ít nhất vài chục lần, và nâng nhiệt độ trung bình từ khoảng −60 °C lên trên điểm đóng băng của nước. Để người đứng ngoài trời không cần bộ đồ áp suất, áp suất phải vượt khoảng 63 mbar (giới hạn Armstrong); để thở được không khí tự nhiên thì cần hàng trăm mbar với đủ oxy và rất ít CO₂. Các phương án đã đề xuất gồm khí nhà kính nhân tạo, gương quỹ đạo, làm tối chỏm băng, hạt nano và lớp phủ aerogel — tất cả đều mới ở dạng tính toán.
Sao Hoả hiện nay so với Trái Đất
| Thông số | Sao Hoả | Trái Đất |
|---|---|---|
| Áp suất bề mặt trung bình | khoảng 6 mbar (0,6 kPa), thay đổi theo mùa và độ cao | 1013,25 hPa |
| Thành phần khí | CO₂ khoảng 95%, nitơ khoảng 2,8%, argon khoảng 2% | Nitơ khoảng 78%, oxy khoảng 21% |
| Nhiệt độ trung bình | khoảng −60 °C | khoảng 15 °C |
| Trọng lực | khoảng 0,38 lần Trái Đất | 1 |
| Độ dài ngày | khoảng 24 giờ 40 phút | 24 giờ |
| Độ nghiêng trục | khoảng 25° | khoảng 23,4° |
| Từ trường toàn cầu | không có | có |
Số liệu theo NSSDCA (NASA), làm tròn. Sao Hoả có mùa và ngày đêm gần giống Trái Đất, có nhiều băng nước ở hai cực và dưới mặt đất. Đó là lý do nó luôn đứng đầu danh sách cải tạo. Nhưng bầu khí quyển thì gần như không có gì để làm vốn.
Các ngưỡng cần vượt
- Nước lỏng ổn định: cần nhiệt độ trên 0 °C ở nhiều nơi và áp suất cao hơn điểm ba của nước (khoảng 6,1 mbar) một khoảng rộng, để nước không vừa tan đã sôi.
- Người không cần đồ áp suất: vượt khoảng 6,3 kPa (63 mbar), giới hạn Armstrong — dưới mức này chất lỏng trong cơ thể sôi ở 37 °C. Ở mức này người vẫn cần bình dưỡng khí và mặt nạ, nhưng chỉ cần quần áo ấm thay vì bộ đồ kín.
- Thở không khí tự nhiên: cần phân áp oxy đủ (người sống lâu dài trên vùng núi cao hơn 5.000 m chịu đựng được phân áp oxy khoảng một nửa mực nước biển), đồng thời CO₂ phải thấp. CO₂ ở mức khoảng 1% đã gây khó chịu khi hít lâu dài, vài phần trăm là nguy hiểm, dù oxy đủ.
Như vậy có hai mục tiêu khác hẳn nhau. Làm ấm và làm dày bằng CO₂ phục vụ bước 1 và 2. Bước 3 đòi thay hẳn thành phần khí, một việc chậm hơn nhiều bậc.
Vòng phản hồi mà người ta hy vọng
Chỏm băng cực nam sao Hoả có một lớp băng CO₂ (băng khô) phủ trên băng nước, và radar SHARAD trên tàu Mars Reconnaissance Orbiter còn tìm thấy một khối CO₂ đông chôn sâu hơn (công bố 2011). Đất sao Hoả cũng giữ một ít CO₂ bám trên hạt. Ý tưởng ban đầu: làm ấm cực một chút → CO₂ bốc hơi → khí quyển dày hơn và giữ nhiệt tốt hơn → ấm thêm → CO₂ bốc hơi thêm. Nếu vòng này tự chạy, chỉ cần "đẩy" ban đầu.
Nghiên cứu năm 2018 của Jakosky và Edwards cho thấy lượng CO₂ dễ giải phóng chỉ nâng áp suất lên cỡ vài chục mbar, không đủ tạo vòng phản hồi lớn. Vì vậy các ý tưởng gần đây chuyển sang tìm cách làm ấm không phụ thuộc vào CO₂ có sẵn.
Các phương án làm ấm đã đề xuất
Khí siêu nhà kính nhân tạo
Các hợp chất flo như perfluorocarbon giữ nhiệt mạnh gấp hàng nghìn lần CO₂ trên mỗi phân tử, bền lâu, và không phá ozone như CFC. Nghiên cứu năm 2001 trên PNAS (Gerstell và cộng sự) và năm 2005 (Marinova và cộng sự) tính rằng một hỗn hợp vài loại khí như vậy có thể làm ấm sao Hoả hàng chục độ. Đổi lại, phải sản xuất tại chỗ hàng triệu tấn khí từ khoáng flo trên sao Hoả, cần nhà máy công nghiệp quy mô lớn hoạt động hàng thế kỷ.
Gương quỹ đạo
Ý tưởng dùng gương khổng lồ bằng màng mỏng đặt trong không gian để hắt thêm ánh sáng vào cực nam, làm bốc hơi băng CO₂. Các tính toán của Robert Zubrin và Christopher McKay đầu thập niên 1990 cho thấy cần gương có bán kính cỡ trên một trăm km chỉ để nâng nhiệt độ vùng cực vài độ. Việc chế tạo và đưa vật liệu lên quỹ đạo là bài toán chưa ai có lời giải.
Làm tối chỏm băng
Phủ bụi tối lên băng cực để giảm phản xạ, băng hấp thụ nhiều nhiệt hơn. Sagan bàn ý này từ năm 1973. Nhưng bão bụi tự nhiên cũng liên tục phủ và quét bụi, và lượng vật liệu cần thiết rất lớn.
Hạt nano
Năm 2024, nhóm của Samaneh Ansari và Edwin Kite công bố trên Science Advances tính toán rằng các thanh nano kim loại dài cỡ vài micromet, làm từ sắt hoặc nhôm có sẵn trên sao Hoả, khi thả vào khí quyển có thể làm ấm hơn 30 °C, hiệu quả hơn khí nhà kính nhân tạo hàng nghìn lần tính theo khối lượng. Đây là mô hình; chưa biết các hạt ở lại trong khí quyển bao lâu, có ảnh hưởng gì tới bụi và mây.
Cải tạo cục bộ: lớp aerogel
Năm 2019, Robin Wordsworth, Laura Kerber và Charles Cockell đăng trên Nature Astronomy một hướng khiêm tốn hơn. Một lớp aerogel silica dày khoảng 2–3 cm, vật liệu xốp siêu nhẹ, cho ánh sáng nhìn thấy đi qua nhưng chặn tia cực tím và giữ nhiệt, có thể làm vùng đất bên dưới ấm thêm khoảng 50 °C, đủ để nước lỏng tồn tại quanh năm ở một số vùng vĩ độ trung bình. Thí nghiệm trong phòng với đèn mô phỏng ánh sáng sao Hoả đã cho kết quả phù hợp. Cách này không cải tạo cả hành tinh, nhưng không cần CO₂ có sẵn, và có thể làm theo từng mảnh.
Thiếu nitơ: vấn đề ít được nhắc
Khí quyển Trái Đất thở được không chỉ nhờ oxy mà còn nhờ nitơ làm khí đệm. Oxy nguyên chất ở áp suất cao gây cháy rất dễ và độc với phổi. Sao Hoả chỉ có khoảng 2,8% nitơ trong lớp khí 6 mbar, tức gần như không có gì. Nitơ trong đất sao Hoả (dạng nitrat) đã được xe Curiosity tìm thấy, nhưng ở mức thấp. Nhập nitơ từ nơi khác, như băng nitơ trên các thiên thể vành đai Kuiper, là ý tưởng vượt xa mọi khả năng hiện nay.
Góc nhìn hôm nay
Hướng nghiên cứu đang dịch chuyển từ "biến sao Hoả thành Trái Đất thứ hai" sang "làm ấm một phần, tạo những ốc đảo sống được". Đó là câu trả lời thực tế cho các con số: sao Hoả có nước, có ánh sáng, có đất, nhưng thiếu khí. Ai muốn tìm hiểu sâu nên đọc bài của Wordsworth và cộng sự (2019), bài của Ansari và cộng sự (2024), và trang Mars Fact Sheet của NSSDCA để tự so các con số.
Câu hỏi thường gặp
Sao Hoả cần áp suất bao nhiêu để người ra ngoài không cần đồ bảo hộ?
Để không cần bộ đồ áp suất, cần vượt khoảng 63 mbar (giới hạn Armstrong), gấp khoảng 10 lần hiện nay. Nhưng người vẫn phải mang bình dưỡng khí. Muốn thở tự nhiên cần hàng trăm mbar với đủ oxy và rất ít CO₂.
Làm ấm sao Hoả bằng cách nào?
Các phương án đã đề xuất gồm sản xuất khí siêu nhà kính chứa flo, đặt gương quỹ đạo, phủ bụi tối lên chỏm băng, thả hạt nano kim loại vào khí quyển, và phủ lớp aerogel cục bộ. Tất cả mới là tính toán hoặc thí nghiệm nhỏ.
Sao Hoả có đủ nước để cải tạo không?
Sao Hoả có lượng băng nước đáng kể ở hai cực và dưới mặt đất, nếu tan hết có thể phủ toàn hành tinh một lớp cỡ vài chục mét. Nước không phải vấn đề lớn nhất; thiếu khí, thiếu nitơ và thiếu áp suất mới là trở ngại chính.
Lớp aerogel trên sao Hoả là gì?
Là ý tưởng năm 2019 phủ lớp aerogel silica dày vài cm lên mặt đất. Lớp này cho ánh sáng qua, chặn tia cực tím và giữ nhiệt, làm vùng bên dưới ấm thêm khoảng 50 °C, đủ cho nước lỏng tồn tại ở một số vùng. Đây là cải tạo cục bộ, không phải cả hành tinh.
Vì sao sao Hoả cần nitơ?
Nitơ là khí đệm giúp không khí có áp suất đủ mà không quá giàu oxy, vốn dễ cháy và độc ở áp suất cao. Sinh vật cũng cần nitơ để tạo protein. Sao Hoả hầu như không có nitơ, và chưa có cách thực tế nào để bổ sung.
