Phát hiện 'vật liệu quý hiếm' trên Mặt Trăng: Cuộc đua khai thác có thể sẽ bùng nổ?

Ở Trái Đất, vật liệu này rất hiếm và có giá trị cao.

Tình hình khẩn cấp từ Trái Đất...

Trong bài viết 'Khả năng thực hiện việc khai thác Helium-3 trên Mặt Trăng', các nhà nghiên cứu tại Đại học Công nghệ Delft (Hà Lan) đã chỉ ra rằng, với việc nguồn năng lượng từ hóa thạch đang dần cạn kiệt và nhu cầu năng lượng toàn cầu đang gia tăng, sự cần thiết của việc tìm kiếm các nguồn năng lượng thay thế trở nên rất rõ ràng. Trong bối cảnh tài nguyên trên Trái Đất dần khan hiếm, nhiều người đã nghĩ đến khả năng khai thác tại Mặt Trăng...

Khi phi hành gia Harrison Schmitt bước chân lên Mặt Trăng vào ngày 12/12/1972 từ tàu Apollo 17, giá dầu đang ở mức 3,60 đô la Mỹ/thùng và các chiếc ô tô lớn vẫn tiếp tục tiêu thụ hết nhiên liệu, không chút tiết kiệm. 'Tình hình khẩn cấp về năng lượng' là điều mà thế giới chưa từng trải qua.

37 năm sau đó, vào năm 2009, không còn ai bước chân lên Mặt Trăng, mức tiêu thụ năng lượng của thế giới đã tăng gần gấp đôi, dự trữ dầu đang cạn kiệt nhanh chóng và con người đang đối mặt với một trong những thách thức nghiêm trọng nhất từ trước đến nay: Khủng hoảng năng lượng.

Với bề dày kiến thức về địa chất và kinh nghiệm phi hành gia NASA, Schmitt tin rằng ông đã tìm ra một giải pháp, được gọi là 'Helium-3'. Theo Schmitt, phản ứng tổng hợp có thể giải quyết 'nhu cầu năng lượng tăng gấp 8 lần hoặc hơn dự kiến cho đến năm 2050'.

* Helium-3 là một isotop của Helium với hai proton và một neutron.

Trong cuốn sách xuất bản năm 2006 của mình - 'Trở lại Mặt Trăng' - Harrison Schmitt (một chuyên gia địa chất trong chương trình Apollo) trình bày một lập luận thuyết phục để khai thác tài nguyên Helium-3 trên vệ tinh tự nhiên của chúng ta - một nguồn nhiên liệu tiềm năng cho các nhà máy điện hạt nhân thế hệ thứ 2.

Ý tưởng về việc khai thác một nguồn năng lượng sạch và hiệu quả từ Mặt Trăng đã kích thích sự tưởng tượng và thực tiễn của cộng đồng khoa học trong những thập kỷ qua. Mặt Trăng, không có một lớp bảo vệ như Trái Đất, đã bị các cơn gió Mặt Trời bắn phá và giữ lại một lượng lớn khí Helium-3.

Helium-3 được xem là một nguồn năng lượng hạt nhân an toàn hơn trong lò phản ứng hạt nhân, vì nó không phát ra tia ion và không gây ra chất thải nguy hại, theo Cơ quan Vũ trụ Châu Âu (ESA).

Trong nhiều thập kỷ qua, Helium-3 và tiềm năng nhiên liệu của nó đã thu hút sự quan tâm của các nhà khoa học. Phản ứng tổng hợp hạt nhân xảy ra tự nhiên khi hai nguyên tử nhẹ kết hợp lại thành một nguyên tử nặng hơn dưới áp suất và nhiệt độ rất cao. Các quá trình này diễn ra trong các ngôi sao, nhưng con người chưa thể tạo ra một lò phản ứng hạt nhân có đủ năng lượng để kích hoạt quá trình này.

Helium-3 là một loại nguyên liệu vô cùng hiếm và đắt đỏ trên Trái Đất. Theo Cơ quan Vũ trụ Châu Âu, Helium-3 đặc biệt hứa hẹn vì nó tạo ra ít chất thải phóng xạ và hạt nhân hơn đáng kể so với các nguyên tố khác. Quá trình phân hạch hạt nhân hiện nay, được sử dụng trong các nhà máy điện hạt nhân, giải phóng không chỉ năng lượng mà cả phóng xạ, nhiên liệu hạt nhân đã qua sử dụng phải được tái xử lý thành uranium, plutonium và các chất thải khác.

Đây là một quá trình đang gây ra những lo ngại nghiêm trọng về an toàn và vì vậy các nhà khoa học đã nghiên cứu cách tạo ra năng lượng hạt nhân từ phản ứng tổng hợp hạt nhân thay vì phản ứng phân hạch. Trong quá trình nhiệt hạch, không có chất thải phóng xạ được tạo ra, có khả năng tạo ra nguồn năng lượng an toàn và hiệu quả hơn.

Ước tính, khoảng 25 tấn Helium-3 (tương đương với khoang chở hàng của Tàu con thoi được nạp đầy) có thể cung cấp năng lượng cho Mỹ trong một năm với tốc độ tiêu thụ năng lượng hiện tại. Điều này có nghĩa là Helium-3 có giá trị kinh tế tiềm năng là 3 tỷ USD/tấn, Discovery.com thông tin.

Theo hãng tin TASS (Nga), vào năm 2018, Tiến sĩ Kailasavadivoo Sivan, người đứng đầu tổ chức Nghiên cứu Vũ trụ Ấn Độ, đã nói rằng lượng Helium-3 tìm thấy trên Mặt Trăng có thể đảm bảo nguồn năng lượng cho thế giới trong ít nhất 250 năm theo tính toán lý thuyết.

Cuộc đua tới Mặt Trăng

Helium-3 trên Mặt Trăng thường được coi là lý do chính để quay trở lại vệ tinh tự nhiên này.

Asia Times cho biết có một 'cuộc chiến khai thác bí mật' đang diễn ra trong không gian với sự tham gia của Trung Quốc, Mỹ và có thể là Nga để tranh giành nguồn tài nguyên tiềm năng trên Mặt Trăng.

Ở các thời điểm khác nhau, kế hoạch chiết xuất Helium-3 từ Mặt Trăng đã được thảo luận ở Nga, Mỹ và Ấn Độ. Hiện tại, Helium-3 không được khai thác trên Trái Đất. Nó là sản phẩm phân rã của Tritium được sản xuất nhân tạo, TASS thông tin.

Sau khi vào năm 2022 các nhà khoa học Trung Quốc tuyên bố phát hiện tinh thể hiếm trên Mặt Trăng, hứa hẹn mang lại nguồn năng lượng dồi dào, vô tận cho Trái Đất, hành trình lên Mặt Trăng khai thác nguyên liệu hạt nhân sạch này lại tiếp tục được thúc đẩy.

Tinh thể này được tìm thấy trong các hạt bazan Mặt Trăng thu thập từ Mặt Trăng vào năm 2020, đưa Trung Quốc trở thành quốc gia thứ ba phát hiện ra khoáng chất Mặt Trăng mới, sau Mỹ và Liên Xô.

Viện Nghiên cứu Địa chất Uranium Bắc Kinh, Trung Quốc, đã đặt tên cho khoáng chất phốt phát là Changesite-(Y), theo tên của nữ thần Mặt Trăng trong thần thoại Trung Quốc, Hằng Nga. Tinh thể này trong suốt và có chiều rộng gần bằng một sợi tóc người. Nó được hình thành trong một khu vực của Mặt Trăng có hoạt động núi lửa khoảng 1,2 tỷ năm trước.

Một trong những thành phần quan trọng của tinh thể này là Helium-3. Nguyên tố này cực kỳ hiếm trên Trái Đất nhưng lại khá phổ biến trên Mặt Trăng.

Đó là lý do nhiều công ty tư nhân và các quốc gia có cơ quan vũ trụ đã tham gia vào cuộc đua khai thác Mặt Trăng để lấy Helium-3.

Được biết, sứ mệnh Mặt Trăng tiếp theo của Trung Quốc dự kiến sẽ là Hằng Nga 6 vào năm 2024, sứ mệnh này sẽ cố gắng thu thập các mẫu đầu tiên từ phía xa của Mặt Trăng - nơi không bao giờ đối diện với Trái Đất.

Trong khi đó, NASA của Mỹ đang từng bước thực hiện Chương trình Artemis để đưa người trở lại Mặt Trăng. Dự kiến, cũng vào năm 2024, Mỹ sẽ hạ cánh hai phi hành gia trở lại Mặt Trăng.

Cơ quan Vũ trụ Châu Âu (ESA) cũng đã xem xét việc sử dụng Mặt Trăng để hỗ trợ các sứ mệnh tiến xa hơn vào Hệ Mặt Trời.

Ngoài các quốc gia du hành vũ trụ truyền thống, Ấn Độ cũng đã thể hiện sự quan tâm của mình đối với việc khai thác bề mặt Mặt Trăng.

Cả các doanh nghiệp tư nhân cũng đang quan tâm đến việc sử dụng nguồn năng lượng từ Mặt Trăng - có thể là bằng cách chiết xuất nước thay vì Helium-3. Công ty Năng lượng Shackleton (Mỹ) dự kiến cung cấp nhiên liệu đẩy cho các nhiệm vụ trên khắp Hệ Mặt Trời bằng cách sử dụng nước từ Mặt Trăng.

Một số đội tranh giải Google Lunar X-Prize cũng coi việc khai thác Mặt Trăng là mục tiêu cuối cùng của các tàu đổ bộ của họ.

Thách thức của việc thành công?

Theo ước tính của Đại học Công nghệ Delft (Hà Lan), để đáp ứng 10% nhu cầu năng lượng toàn cầu vào năm 2040, cần 200 tấn Helium-3 mỗi năm.

Để thực hiện điều này, tốc độ khai thác vật liệu Mặt Trăng (regolith) cần đạt 630 tấn mỗi giây. Điều này sẽ yêu cầu từ 1.700 đến 2.000 phương tiện khai thác Helium-3 nếu sử dụng máy khai thác Mark III của Đại học Wisconsin, Mỹ.

Tính khả thi đã được giải quyết ở 3 khía cạnh khác nhau.

- Về mặt kỹ thuật, nhiệm vụ cực kỳ phức tạp và khó khăn. Tuy nhiên, hầu hết các công nghệ cần thiết đã tồn tại hoặc có thể được phát triển trong một khoảng thời gian hợp lý.

- Về góc độ chính trị và pháp lý, các hiệp ước quốc tế hiện tại hầu như không cung cấp bất kỳ khung pháp lý nào cho hoạt động khai thác Mặt Trăng.

- Về mặt tài chính, sứ mệnh chỉ có thể mang lại lợi nhuận ròng trong trường hợp tốt nhất và chỉ dành cho các hoạt động có quy mô từ trung bình đến lớn, yêu cầu đầu tư ban đầu rất lớn.

Để sử dụng Helium-3 trên Mặt Trăng, nghiên cứu chi tiết hơn cần tập trung vào hoạt động khai thác và chi phí của các nhà máy nhiệt hạch, vì ảnh hưởng của chúng vượt xa tất cả các yếu tố sứ mệnh khác.

Rõ ràng, con người có thể lấy nhiều thứ từ Mặt Trăng như họ đã làm trong các nhiệm vụ thăm dò và khám phá. Tuy nhiên, các nhiệm vụ này không hề dễ dàng, bởi vì khoảng cách xa giữa Trái Đất và Mặt Trăng.

Chúng ta có các ví dụ về những thách thức tương tự ngay tại Trái Đất: Có khoảng từ 45.000 đến 1,5 triệu tấn vàng trong các đại dương trên Trái Đất. Tuy nhiên, vì vàng phổ biến nên chi phí khai thác nó cao hơn nhiều so với giá trị thực của vàng.

Tương tự như vậy, chi phí mang Helium-3 từ Mặt Trăng sẽ rất lớn do khoảng cách và nồng độ thấp. Nồng độ Helium-3 được ước tính là khoảng từ 20 đến 30 phần tỷ trong đất Mặt Trăng.

Điều này có nghĩa là chúng ta sẽ cần thu hoạch và xử lý một lượng lớn bề mặt Mặt Trăng để trích xuất một lượng Helium-3 đáng kể để vận chuyển về Trái Đất.

Hơn nữa, theo Aleksandr Bloshenko - Giám đốc điều hành chương trình nghiên cứu và khoa học tại Tập đoàn Vũ trụ Nhà nước Roscosmos (Nga), phản ứng tổng hợp các nguyên tử Helium-3 đòi hỏi nhiệt độ lên đến 1 tỷ độ C. Ông không loại trừ khả năng rằng vào một ngày nào đó trong tương lai, con người sẽ nghĩ ra giải pháp cho phản ứng tổng hợp nhiệt hạch ở nhiệt độ như vậy, TASS thông tin.

Trong tương lai, hành trình đến Mặt Trăng và việc có mặt thường xuyên của con người cùng hệ thống phương tiện khai thác Mặt Trăng có thể giúp chúng ta vượt qua cuộc khủng hoảng năng lượng lớn hay không? Để trả lời câu hỏi này, cần có rất nhiều thời gian nữa.