MOXIE là thiết bị cỡ một bình ắc quy ô tô gắn trên xe tự hành Perseverance của NASA, và ngày 20/4/2021 nó đã tạo ra oxy từ khí quyển sao Hoả — lần đầu tiên con người sản xuất một chất dùng được từ tài nguyên của hành tinh khác. Lần chạy đầu tạo khoảng 5,4 gram oxy trong một giờ. Tới khi kết thúc năm 2023, MOXIE đã chạy 16 lần, tổng cộng 122 gram oxy. Đây là bước thử cho việc làm nhiên liệu và khí thở tại chỗ, không phải bước cải tạo khí quyển sao Hoả.
Vì sao cần làm oxy trên sao Hoả
Đưa một kg hàng từ Trái Đất lên bề mặt sao Hoả tốn kém cực lớn. Trong một sứ mệnh có người, thứ nặng nhất cần mang không phải là thức ăn hay thiết bị, mà là oxy để đốt nhiên liệu tên lửa đưa phi hành gia rời sao Hoả. NASA ước tính để phóng bốn phi hành gia từ bề mặt sao Hoả cần khoảng 7 tấn nhiên liệu và khoảng 25 tấn oxy. Trong khi đó, bốn người sống cả năm trên sao Hoả chỉ dùng cỡ một tấn oxy để thở.
Khí quyển sao Hoả có khoảng 95% CO₂. Mỗi phân tử CO₂ chứa hai nguyên tử oxy. Nếu tách được, nguyên liệu nằm sẵn quanh căn cứ. Đây là ý tưởng "sử dụng tài nguyên tại chỗ" (ISRU, In-Situ Resource Utilization).
MOXIE hoạt động thế nào
Tên đầy đủ là Mars Oxygen In-Situ Resource Utilization Experiment. Thiết bị do nhóm của Michael Hecht tại Đài quan sát Haystack thuộc Viện Công nghệ Massachusetts (MIT) dẫn dắt, phối hợp với Phòng thí nghiệm Sức đẩy Phản lực (JPL) của NASA.
- Hút và nén khí: máy nén hút khí quyển sao Hoả loãng (khoảng 6 mbar) vào và nén lên áp suất cao hơn nhiều lần để phản ứng chạy được.
- Làm nóng: khí được nung tới khoảng 800 °C.
- Điện phân oxit rắn: khí CO₂ nóng đi qua các tấm gốm đặc biệt. Dưới điện áp, một nguyên tử oxy bị tách khỏi phân tử CO₂ và đi xuyên qua lớp gốm dưới dạng ion, ở phía bên kia các ion ghép thành phân tử O₂.
- Thải và đo: phần còn lại là CO và CO₂ chưa phản ứng được thải ra ngoài. Oxy được đo độ tinh khiết rồi cũng thải ra, vì đây chỉ là thí nghiệm chứng minh công nghệ.
Phương pháp này gọi là điện phân oxit rắn (solid oxide electrolysis). Nó giống pin nhiên liệu chạy ngược: thay vì ghép nhiên liệu với oxy để tạo điện, nó dùng điện để tách oxy ra.
Các mốc chính
| Thời điểm | Sự kiện |
|---|---|
| 30/7/2020 | Perseverance mang MOXIE được phóng từ Mũi Canaveral |
| 18/2/2021 | Perseverance hạ cánh xuống miệng hố Jezero trên sao Hoả |
| 20/4/2021 | Lần chạy đầu tiên: khoảng 5,4 gram oxy trong một giờ, đủ cho một phi hành gia thở khoảng 10 phút |
| 2021–2023 | Chạy ở nhiều mùa khác nhau, cả ngày lẫn đêm, khi khí quyển thay đổi mật độ và nhiệt độ |
| Lần chạy tốt nhất | Khoảng 12 gram mỗi giờ, độ tinh khiết khoảng 98% trở lên |
| 8/2023 | Lần chạy thứ 16, kết thúc nhiệm vụ; tổng cộng 122 gram oxy |
Mục tiêu ban đầu là 6 gram mỗi giờ; MOXIE đạt gấp đôi. Thiết bị chạy được qua các mùa sao Hoả, chứng minh công nghệ chịu được biến động lớn về nhiệt độ và mật độ khí.
Những khó khăn khi chạy trên sao Hoả thật
Phòng thí nghiệm trên Trái Đất có thể mô phỏng khí sao Hoả, nhưng không mô phỏng hết được hoàn cảnh của một cỗ máy gắn trên xe tự hành.
- Điện ít: Perseverance chạy bằng máy phát nhiệt điện dùng đồng vị phóng xạ, chỉ cho khoảng 110 watt liên tục, nạp vào pin để dùng dần. MOXIE phải chia điện với camera, cánh tay robot, máy khoan, nên mỗi lần chỉ chạy khoảng một giờ.
- Khởi động lạnh: mỗi lần chạy, thiết bị phải nung từ nhiệt độ lạnh giá của sao Hoả lên khoảng 800 °C rồi nguội lại. Chu kỳ nóng lạnh lặp đi lặp lại là thử thách lớn cho vật liệu gốm.
- Khí quyển thay đổi: mật độ khí sao Hoả dao động theo mùa và theo giờ trong ngày, có lúc chênh nhau đáng kể. MOXIE phải điều chỉnh máy nén để giữ lượng khí vào ổn định.
- Muội carbon: nếu đẩy điện áp quá cao, CO bị tách tiếp thành carbon đóng muội làm hỏng tấm gốm. Nhóm vận hành phải tìm điểm chạy vừa đủ mạnh mà không gây hại.
Việc MOXIE vượt qua tất cả những điều kiện này trong hơn hai năm là phần giá trị nhất của thí nghiệm, quan trọng hơn con số 122 gram.
Đặt các con số vào đúng chỗ
122 gram oxy tương đương lượng một người trưởng thành hít vào trong khoảng ba tới bốn giờ nghỉ ngơi. Nó nhỏ, nhưng không phải là thất bại: MOXIE được thiết kế để chứng minh nguyên lý, không phải để sản xuất. Phiên bản dùng cho sứ mệnh có người sẽ phải lớn hơn khoảng vài trăm lần, chạy liên tục nhiều tháng trước khi phi hành gia tới, cần nguồn điện cỡ hàng chục kilowatt.
Vì sao MOXIE không cải tạo được khí quyển
Một phép tính thô cho thấy khác biệt về quy mô. Khí quyển sao Hoả nặng khoảng 2,5 × 10¹⁶ kg. Để thêm chỉ 1 mbar oxy, cần cỡ 4 × 10¹⁵ kg oxy. Với tốc độ 12 gram mỗi giờ của MOXIE, việc này cần hàng trăm triệu tỷ giờ máy. Ngay cả một triệu máy lớn gấp nghìn lần MOXIE cũng mất hàng chục nghìn năm. Hơn nữa, tách oxy khỏi CO₂ để lại CO, một khí độc, và oxy trong khí quyển sẽ dần phản ứng với đất sao Hoả vốn giàu sắt (chính oxit sắt làm đất sao Hoả có màu đỏ).
Vì thế MOXIE thuộc về chuyện căn cứ và tên lửa, không thuộc về chuyện biến đổi hành tinh. Sự khác biệt này hay bị nhầm trong tin tức.
Bước tiếp theo của công nghệ
- Phóng to: các nhóm nghiên cứu đã bàn thiết kế lớn hơn hàng trăm lần, chạy bằng nguồn điện hạt nhân nhỏ hoặc pin Mặt Trời lớn.
- Kết hợp với nước: nếu khai thác được băng nước dưới đất, có thể điện phân nước lấy cả hydro và oxy, rồi kết hợp hydro với CO₂ tạo mê-tan làm nhiên liệu (phản ứng Sabatier). Đây là phương án mà nhiều kế hoạch sứ mệnh tham khảo.
- Trên Mặt Trăng: không có khí quyển, oxy phải lấy từ đất đá (đất Mặt Trăng chứa khoảng 40–45% oxy theo khối lượng, dạng oxit). Các công nghệ khác đang được thử cho mục tiêu này.
Góc nhìn hôm nay
MOXIE cho thấy một điều quan trọng: khí quyển sao Hoả dù mỏng vẫn là tài nguyên. Không cần sửa cả hành tinh, chỉ cần một cỗ máy đủ lớn là có oxy cho căn cứ. Đó là hướng thực tế hơn cải tạo hành tinh trong vài thập kỷ tới. Trang mars.nasa.gov có phần riêng về MOXIE với video và số liệu từng lần chạy; MIT Haystack có các bài giải thích kỹ thuật.
Câu hỏi thường gặp
MOXIE là gì?
MOXIE là thiết bị thử nghiệm trên xe tự hành Perseverance của NASA, tách oxy từ CO₂ trong khí quyển sao Hoả bằng điện phân oxit rắn ở khoảng 800 °C. Nó lần đầu tạo oxy trên sao Hoả ngày 20/4/2021.
MOXIE tạo được bao nhiêu oxy?
Tổng cộng 122 gram qua 16 lần chạy từ 2021 tới 2023. Lần đầu tạo khoảng 5,4 gram trong một giờ, lần tốt nhất khoảng 12 gram mỗi giờ với độ tinh khiết khoảng 98%.
MOXIE có cải tạo được khí quyển sao Hoả không?
Không. MOXIE là thí nghiệm chứng minh công nghệ cho căn cứ và nhiên liệu tên lửa. Thêm oxy đáng kể vào khí quyển sao Hoả cần lượng oxy lớn hơn hàng trăm triệu tỷ lần lượng MOXIE tạo được mỗi giờ.
Vì sao cần làm oxy tại sao Hoả?
Chủ yếu để làm chất oxy hoá cho nhiên liệu tên lửa đưa phi hành gia rời sao Hoả, cần khoảng 25 tấn oxy cho bốn người theo ước tính của NASA. Mang lượng đó từ Trái Đất rất tốn kém. Oxy để thở chỉ cần khoảng một tấn mỗi năm cho bốn người.
Oxy tạo ra từ MOXIE có được giữ lại không?
Không. Vì là thí nghiệm, oxy được đo độ tinh khiết rồi thải ra khí quyển sao Hoả. Mục tiêu là chứng minh công nghệ chạy được ổn định trên sao Hoả thật, qua nhiều mùa.
