Buzz
Gần đây, chúng ta thường nghe đến các sứ mệnh Artemis đưa con người lên sao Hỏa và thử nghiệm việc định cư tại đó, hay kế hoạch của Elon Musk nhằm xây dựng nền văn minh mới trên hành tinh đỏ trong vòng 20-30 năm tới. Tuy nhiên, để thực hiện được những sứ mệnh này, có rất nhiều vấn đề phải đối mặt. Một trong số đó là làm sao loài người có thể sinh tồn khi bề mặt của sao Hỏa khô cằn và không thể áp dụng phương pháp nông nghiệp như trên Trái Đất. Đó chính là câu hỏi mà các nhà khoa học hiện đang cố gắng giải quyết.Từ trường của sao Hỏa đã mất, để lại một lớp đất khô cằn
Khoảng 4 tỉ năm trước, Sao Hỏa là một hành tinh có những con sông chảy, gió mạnh và mưa rơi, với bầu trời đầy mây giống như Trái Đất. Về cơ bản, Sao Hỏa thời điểm đó rất giống với Trái Đất. Sự khác biệt duy nhất, và có lẽ quan trọng nhất, là kích thước của nó chỉ bằng một nửa Trái Đất. Điều này có nghĩa là thể tích của nó nhỏ hơn rất nhiều so với Trái Đất. Các hành tinh lớn như Trái Đất có nhiều vật chất và nhiệt lượng bên trong, cho phép chúng giữ nhiệt lâu dài hơn. Trong khi đó, do Sao Hỏa nhỏ hơn, lượng nhiệt bên trong ít hơn và với diện tích bề mặt lớn hơn so với thể tích, nó có thể mất nhiệt vào không gian nhanh chóng hơn so với Trái Đất.
Sao Hỏa từng có điều kiện sống tương tự như Trái Đất, nhưng sự khác biệt về kích thước đã khiến nó không còn từ trường
Bề mặt khô cằn của Sao Hỏa
Không có từ trường, Sao Hỏa dễ bị tác động bởi gió và dòng hạt tích điện từ Mặt Trời. Các yếu tố này đã làm mất đi phần lớn khí quyển của Sao Hỏa qua hàng triệu năm, khiến nó không thể giữ lại nhiệt độ và nước lỏng, dẫn đến môi trường khô cằn và lạnh giá như hiện tại. Ngoài ra, sự bức xạ liên tục và các cơn bão bụi phủ kín hành tinh đã tạo ra phản ứng hóa học trong lớp đất khô cằn, làm tăng lượng muối độc hại, hay perchlorate, trên bề mặt của Sao Hỏa.
Perchlorate: Mối đe dọa đối với nông nghiệp trên sao Hoả
Việc thực hiện nông nghiệp trên sao Hoả, theo các nhà làm phim khoa học viễn tưởng, hoàn toàn có thể trở thành hiện thực. Có thể bạn đã xem qua bộ phim *Martian* với Matt Damon trong vai chính. Trong phim, nhân vật Mark Watney đã tự xây dựng một nhà kính, gieo trồng, tưới nước và đợi chờ. Trong suốt quá trình này, nhiều chi tiết khoa học chính xác được đưa vào, chẳng hạn như việc sử dụng vi khuẩn trong hệ vi sinh của con người. Tuy nhiên, bộ phim đã bỏ qua một yếu tố quan trọng: perchlorate. Với sự hiện diện của chất này, những cây khoai tây mà Mark Watney trồng sẽ không thể phát triển. Và nếu có, việc ăn khoai tây bị nhiễm perchlorate trong suốt hai năm sẽ gây ung thư, tổn hại tuyến giáp, hỏng thận và phá hủy các tế bào cơ thể, vì perchlorate thực chất là một chất độc thần kinh.
Đất trên sao Hoả chứa lượng perchlorate rất cao
Vậy perchlorate là gì? Chất này lần đầu tiên được phát hiện bởi tàu Phoenix của NASA vào năm 2008. Các sứ mệnh tiếp theo đã xác nhận rằng perchlorate tồn tại với nồng độ rất cao trên sao Hoả. Cụ thể, regolith (vật liệu bề mặt) của sao Hoả có chứa khoảng 0.5% perchlorate theo trọng lượng, cao gấp hàng triệu lần so với mức độ mà chúng ta thấy trên Trái Đất, nơi perchlorate chỉ có ở mức một phần triệu. Sự hiện diện của perchlorate trên sao Hoả là một thách thức lớn đối với việc sinh sống của con người. Chất này độc hại đối với con người và thực vật, gây cản trở sự phát triển của cây trồng, và cần được loại bỏ để có thể tạo ra môi trường đất an toàn cho nông nghiệp.
Perchlorate: Cấu trúc và tác hại đối với sức khỏe
Về mặt hóa học, perchlorate là hợp chất chứa ion ClO₄⁻, trong đó một nguyên tử clo liên kết với bốn nguyên tử oxy. Thường thấy dưới dạng muối, perchlorate kết hợp với các ion mang điện tích dương như natri, kali hoặc amoni. Các hợp chất này rất dễ tan trong nước và có thể được tìm thấy trong môi trường tự nhiên cũng như qua các hoạt động công nghiệp. Như đã đề cập, perchlorate là một chất độc hại, đặc biệt là đối với tuyến giáp, vì nó ngăn cản sự hấp thụ i-ốt, gây ra các vấn đề về chức năng tuyến giáp.
Trên Trái Đất, perchlorate thường được phát hiện trong nước ngầm bị ô nhiễm, chủ yếu do các hoạt động công nghiệp. Chất này tồn tại lâu dài trong môi trường vì không dễ bị phân hủy tự nhiên. Vào Thế chiến II, Mỹ đã sử dụng perchlorate rộng rãi, và sau đó nó được dùng trong nhiều lĩnh vực như giặt khô, tẩy dầu mỡ kim loại, nhuộm vải và y dược. Tuy nhiên, ngành công nghiệp lúc đó đã quản lý chất thải kém, dẫn đến ô nhiễm nghiêm trọng nguồn nước ngầm. Chỉ sau khi các quy định bảo vệ môi trường được ban hành vào thập niên 1970, mức độ ô nhiễm mới được phát hiện.
Có một số phương pháp để loại bỏ perchlorate, chẳng hạn như dùng mưa hoặc hệ thống tưới tiêu nhân tạo để rửa trôi chúng, nhưng đây chỉ là biện pháp tạm thời. Một cách khác là trồng các loại cây thân gỗ như cây liễu và cây bông để hút perchlorate từ đất. Một giải pháp khác nữa là nung nóng perchlorate đến nhiệt độ cao (khoảng 400°C) để phân hủy chúng thành các hợp chất vô hại. Tuy nhiên, phương pháp này yêu cầu một lượng năng lượng rất lớn. Cuối cùng, xử lý sinh học bằng vi sinh vật có thể chuyển hóa perchlorate thành clorua và oxy - các chất không gây hại cho môi trường.
Đây là vấn đề mà NASA cần giải quyết nếu muốn thực hiện sứ mệnh không gian Artemis, và Elon Musk cũng phải đối mặt với thách thức này trong việc xây dựng nền văn minh nhân loại trên sao Hoả trước khi các tàu không gian có thể rời Trái Đất.
Các giải pháp cho nền nông nghiệp trên sao Hoả
Vận chuyển lương thực từ Trái Đất
Việc tiếp tế thực phẩm từ Trái Đất có thể là một giải pháp, nhưng không mang lại hiệu quả lâu dài
Một phương án khả thi hơn là Trái Đất có thể trở thành nguồn cung cấp thực phẩm cho Sao Hỏa. Dù việc dự trữ thực phẩm trên tàu vũ trụ và gửi chúng lên Sao Hỏa có vẻ dễ dàng, nhưng về lâu dài, những chuyến hàng tiếp tế từ Trái Đất không thể duy trì sự ổn định cho các định cư trên hành tinh đỏ, bởi chúng phụ thuộc hoàn toàn vào Trái Đất. Để Sao Hỏa có thể tự chủ, con người cần phải tự sản xuất thực phẩm ngay trên hành tinh này thay vì liên tục trông cậy vào các chuyến hàng từ Trái Đất. Hơn nữa, việc tiếp tế thực phẩm không chỉ tốn kém mà còn có giới hạn về khả năng cung cấp, bởi mỗi kilogram thực phẩm gửi lên Sao Hỏa đều làm gia tăng chi phí và phức tạp cho sứ mệnh. Tàu vũ trụ có không gian hạn chế, và hầu hết phải dành cho các thiết bị thiết yếu, nhiên liệu và hệ thống hỗ trợ sự sống. Khi thời gian cư trú trên Sao Hỏa kéo dài, nhu cầu thực phẩm sẽ tăng đáng kể, và việc tiếp tế từ Trái Đất sẽ trở nên không khả thi, đặc biệt khi có sự cố làm gián đoạn việc cung cấp, gây nguy hiểm cho cư dân trên Sao Hỏa.
Vận chuyển hệ thống thủy canh từ Trái Đất
Một giải pháp khác mà NASA đã từng xem xét là hệ thống thủy canh. Thủy canh là phương pháp trồng cây mà không cần đất, thay vào đó sử dụng nước có dưỡng chất để nuôi cây. Đây là một phương án đầy triển vọng để sản xuất thực phẩm trên Sao Hỏa, nhưng vẫn tồn tại một số hạn chế, đặc biệt khi phải cung cấp đủ thực phẩm cho một số lượng lớn người hoặc khi phải vận chuyển hệ thống từ Trái Đất lên. Hệ thống thủy canh đòi hỏi nhiều thiết bị chuyên dụng như máy bơm, đèn chiếu sáng và các hệ thống điều khiển khí hậu, tất cả phải được sản xuất trên Trái Đất và sau đó vận chuyển lên Sao Hỏa, điều này gây tốn kém về năng lượng và chi phí vận hành. Bên cạnh đó, hệ thống này cần được giám sát liên tục để tránh sự xuất hiện của vi khuẩn hoặc nấm. Nếu hệ thống bị nhiễm bệnh, toàn bộ cây trồng có thể bị hủy hoại do đặc thù của hệ thống khép kín, nơi nước và dưỡng chất được tuần hoàn, tạo điều kiện cho sự ô nhiễm lan rộng rất nhanh.
Con người có thể thiết lập hệ thống thủy canh và mang lên Sao Hỏa
Tuy nhiên, việc này sẽ yêu cầu phải thiết lập lại toàn bộ hệ thống, rất tốn kém về thời gian và tài nguyên. Cuối cùng, hệ thống thủy canh chỉ có thể duy trì được một nhóm nhỏ, từ 10 đến 20 người, trong điều kiện thoải mái. Khi cố gắng mở rộng quy mô để phục vụ một dân số lớn hơn trên Sao Hỏa, sẽ gặp rất nhiều khó khăn, nhất là về nhu cầu năng lượng và thiết bị. Vì lý do này, thủy canh được xem như giải pháp tạm thời cho các nhóm nhỏ, nhưng không phải là phương án có thể mở rộng để nuôi sống một cộng đồng lớn trong dài hạn.
Con người cần một giải pháp tự cung tự cấp trên Sao Hỏa
Vì những lý do trên, NASA và các tổ chức vũ trụ khác đang nghiên cứu cách thức để các sứ mệnh lên Sao Hỏa trở nên tự cung tự cấp hơn. Nếu các phi hành gia trên Sao Hỏa quá phụ thuộc vào nguồn cung cấp từ Trái Đất, họ sẽ luôn phải đối mặt với nguy cơ khi có sự gián đoạn trong việc tiếp tế. Tự cung tự cấp là mục tiêu quan trọng để con người có thể duy trì sự hiện diện lâu dài trên Sao Hỏa. Giải pháp bền vững duy nhất trong dài hạn chính là canh tác trên đất regolith của Sao Hỏa. Tuy nhiên, để thực hiện điều này, vấn đề perchlorate trong đất cần phải được giải quyết. Khi đất được xử lý để loại bỏ perchlorate độc hại và làm giàu với các chất dinh dưỡng, nó sẽ có thể trở thành nguồn thực phẩm bền vững và mở rộng cho cộng đồng lớn hơn, giúp đảm bảo sự tồn tại lâu dài trên hành tinh này.
Nông nghiệp trên Sao Hỏa có thể trở thành giải pháp bền vững
Giải pháp tối ưu cho vấn đề này không còn nằm ở những máy móc cỡ lớn, hạng nặng như trước nữa. Thay vào đó, sự chú ý đã chuyển sang những giải pháp nhỏ bé, nhưng vô cùng quan trọng: các vi sinh vật.
Hướng đi từ các vi sinh vật
NASA cùng với nhiều tổ chức khác đã tài trợ cho các nghiên cứu tìm cách loại bỏ perchlorate trong đất trên Sao Hỏa và phát triển phương pháp canh tác. Tuy nhiên, vấn đề lớn nhất là con người chưa thực sự có được mẫu đất từ Sao Hỏa. Hơn 50 năm qua, NASA đã thực hiện nhiều sứ mệnh liên quan đến Sao Hỏa nhưng vẫn chưa thành công trong việc này. Vì vậy, các nhà khoa học buộc phải tìm kiếm những giải pháp gián tiếp để vượt qua thử thách này.
Trong số các nhóm nghiên cứu nhận tài trợ từ NASA, hai nhóm đáng chú ý đang có những bước tiến lớn: Viện thiết kế sinh học của Đại học bang Arizona (ASU) và Viện công nghệ Florida. Mỗi nhóm đóng vai trò khác nhau trong việc thực hiện sứ mệnh này.
Công việc của ASU: Loại bỏ perchlorate khỏi đất
Nhóm nghiên cứu tại ASU đang tìm cách sử dụng vi khuẩn để loại bỏ perchlorate ra khỏi đất. Để thực hiện nghiên cứu, họ sử dụng loại đất mô phỏng giống với đất trên Sao Hỏa, được tạo ra dựa trên thành phần hóa học và các thông số kỹ thuật mà xe tự hành Curiosity gửi về. Loại đất này có tên gọi MGS-1 (Mars Global Simulant), được phát triển bởi công ty Space Resource Technologies. Đất này có kết cấu mịn, tương tự như cát biển và màu sắc gần giống với bột cacao.
Đại học bang Arizona (ASU) chịu trách nhiệm loại bỏ perchlorate khỏi đất
Với loại đất mô phỏng này, các nhà khoa học sẽ cho chúng vào dung dịch chứa chất dinh dưỡng và vi khuẩn. Họ sẽ thêm perchlorate dạng bột trắng vào các ống nghiệm, tạo ra một môi trường Sao Hỏa thu nhỏ. Trong môi trường này, vi khuẩn sẽ tiêu thụ những chất mà chúng không ưa thích, bỏ qua những thành phần mà chúng không bị ảnh hưởng. Thí nghiệm này giúp các nhà nghiên cứu tìm ra sự kết hợp tối ưu giữa các vi sinh vật để xử lý perchlorate. Bên cạnh đó, họ còn mong muốn các vi sinh vật này tạo ra clorua và oxy sau khi xử lý perchlorate.
Lượng oxy được tạo ra trong quá trình này được kỳ vọng sẽ đủ lớn để hỗ trợ các sứ mệnh lâu dài trên Sao Hỏa. Mục tiêu là thu giữ và sử dụng lượng oxy này. Nguyên lý đơn giản là perchlorate có chứa phân tử oxy trong cấu trúc của nó, và loại muối này hiện diện rất nhiều trên Sao Hỏa. Nếu thành công trong việc xử lý perchlorate, một lượng oxy lớn sẽ được tạo ra, giảm sự phụ thuộc vào nguồn oxy từ Trái Đất, từ đó nâng cao tính bền vững cho các nhiệm vụ dài hạn trên hành tinh đỏ.
Đất MGS-1 mô phỏng đất trên Sao Hỏa
Một vấn đề lớn mà các nhà khoa học đang giải quyết là làm sao đưa các vi sinh vật lên Sao Hỏa. Họ nhận thấy rằng chúng ta không cần những thùng chứa to lớn, bởi lẽ cơ thể con người đã là một “hoang đảo” vi sinh vật tự nhiên. Trong ruột của chúng ta sống hàng tỷ vi khuẩn. Các nhà nghiên cứu đã thành công trong việc loại bỏ perchlorate bằng các vi sinh vật có trong bùn từ các nhà máy xử lý nước thải. Vì vậy, cách làm mà Mark trong bộ phim *The Martian* áp dụng có thể nói là hướng đi đúng. Tuy nhiên, vẫn còn một câu hỏi lớn: liệu trên Sao Hỏa có những thiên địch của các vi sinh vật này hay không, điều này có thể ảnh hưởng đến hiệu quả của chúng.
Hiện nay, nhóm nghiên cứu đang thử nghiệm với regolith (đất sao Hỏa mô phỏng) trong các thí nghiệm nhỏ tại phòng thí nghiệm ASU. Họ đã giảm được nồng độ perchlorate từ mức ban đầu 5g/kg (0,5%) xuống còn 5 đến 20 microgram/kg, hoặc thậm chí thấp hơn. Mức độ này được cho là không đủ mạnh để ngăn cản sự nảy mầm của cây trồng. Để dễ hình dung, đất ở sa mạc Arizona có nồng độ perchlorate dao động từ 0,3 đến 5 microgram/kg, trong khi ở sa mạc Atacama, mức độ này có thể lên tới 2.500 microgram/kg. Kết quả mà nhóm nghiên cứu đạt được khá khả quan cho các nhiệm vụ mà NASA đang hướng tới.
Công việc của Viện công nghệ Florida: Canh tác
Tuy nhiên, việc loại bỏ perchlorate không phải là tất cả để giúp thực vật có thể phát triển trên Sao Hỏa. Andrew Palmer, phó giáo sư sinh học tại Viện Công nghệ Florida, chia sẻ rằng sau khi loại bỏ perchlorate, một vấn đề lớn tiếp theo là làm sao biến regolith trên Sao Hỏa thành đất có thể trồng trọt được. Đây chính là câu trả lời cho một câu hỏi quan trọng hơn: Làm sao có thể cung cấp đủ lương thực cho các sứ mệnh trên Sao Hỏa? Trong thực tế, vấn đề này cực kỳ nghiêm trọng, bởi với khoảng cách từ 6 đến 9 tháng giữa Trái Đất và Sao Hỏa, nếu nguồn thực phẩm bị gián đoạn, con người sẽ không thể sống sót cho đến khi nhận được tiếp tế. Vì vậy, nông nghiệp là một bài toán cực kỳ quan trọng mà nhân loại cần phải giải quyết.
Để giải quyết vấn đề này, các nhà nghiên cứu tại Viện Công nghệ Florida đã bắt đầu thử nghiệm trồng cây, nấm và vi khuẩn trong các mô phỏng regolith của Sao Hỏa. Họ muốn khám phá cách biến regolith thành đất trồng có thể hỗ trợ sự phát triển của cây cối. Lớp đất này được cung cấp từ các nhà khoa học tại ASU, để Palmer tiến hành các thí nghiệm.
Về cơ bản, đất là một chất nền đã được các yếu tố sinh học tác động. Trong mẫu regolith mô phỏng ở Trái Đất, các vi khuẩn sẽ loại bỏ perchlorate và chuyển đổi khoáng chất, giải phóng các dưỡng chất quan trọng cho cây trồng như kali và phốt pho. Ngoài ra, quá trình này cũng có thể được sử dụng để cung cấp thêm các chất dinh dưỡng khác cho đất. Nhóm nghiên cứu của Palmer đang nỗ lực để thực hiện việc này, với hy vọng có thể tạo ra một chu trình sinh thái hoàn chỉnh cho các sứ mệnh lâu dài trên Sao Hỏa.
Thực vật được trồng trên đất mô phỏng Sao Hoả
Trong một căn phòng đặc biệt gọi là “ngôi nhà đỏ”, các nhà khoa học đã tái tạo môi trường gần giống với Sao Hoả. Môi trường này sử dụng ánh sáng nhân tạo và các phương pháp kiểm soát môi trường, giúp trồng cây mà không cần ánh sáng mặt trời. Điều này phản ánh chính xác điều kiện sống trên Sao Hoả – nơi không có bầu khí quyển và nhiệt độ khắc nghiệt hơn Nam Cực. Các loài cây ở đây được nuôi dưỡng trong một không gian khép kín, với ánh sáng nhân tạo giúp chúng phát triển.
Trong khu vực này, nhóm nghiên cứu đã thử nghiệm trồng nhiều loại cây như rau diếp romaine, ớt chuông, cà chua, cỏ ba lá và sẽ tiếp tục thử nghiệm với đậu phộng. Mặc dù dự án vẫn đang ở giai đoạn thử nghiệm, nhưng kết quả ban đầu rất hứa hẹn. Đất mô phỏng Sao Hoả có xu hướng trở nên “xốp” hơn khi trồng cây, điều này hỗ trợ sự phát triển của thực vật.
Tín hiệu lạc quan
Các nhà khoa học tại ASU và Viện Công nghệ Florida đã có những thành tựu đáng kể trong việc giảm nồng độ perchlorate trong mẫu đất mô phỏng Sao Hoả. Họ cũng đã thành công trong việc gia tăng chất hữu cơ trong đất thí nghiệm. Cải tiến quan trọng nhất là việc thay đổi cấu trúc regolith và bắt đầu trồng cây trong đó. Nếu các thử nghiệm tiếp theo thành công, đây sẽ là một bước đột phá trong việc giúp con người tự cung cấp thực phẩm trên Sao Hoả và có thể là cho cả không gian rộng lớn hơn trong tương lai.Nguồn: [1][2][3][4][5][6]
