Chiết xuất oxy từ sao Hỏa

Các nhà khoa học ở Trung Quốc đã tạo ra một robot hóa học được hỗ trợ bởi trí tuệ nhân tạo (AI) có thể chiết xuất oxy từ vật liệu thiên thạch sao Hỏa mà không cần sự giám sát của con người.

Robot hoàn toàn tự động

Việc tổng hợp các nguồn tài nguyên hữu ích từ vật liệu trên sao Hỏa sẽ là điều cần thiết cho sự sống còn của con người trên Hành tinh Đỏ. Các nhà nghiên cứu đã công bố kết quả trong một bài báo mô tả nhà hóa học AI mới trên tạp chí Nature.

Cụ thể, việc chiết xuất oxy từ vật liệu – trong một quá trình gọi là phản ứng tiến hóa oxy (OER) – là đặc biệt quan trọng. Để đạt được mục tiêu đó, nhóm nghiên cứu đã chế tạo một robot di động có thể tự động hóa toàn bộ quá trình trích xuất oxy từ năm mẫu thiên thạch sao Hỏa và tương tự. Các nhà nghiên cứu cũng đã thử nghiệm hệ thống trong môi trường bề mặt sao Hỏa mô phỏng.

Ông Jun Jiang - trưởng nhóm nghiên cứu thuộc Đại học Khoa học và Công nghệ Trung Quốc tại Hợp Phì cho biết: “Chúng tôi đã phát triển robot trí tuệ nhân tạo (robot AI) có bộ não hóa học”.

Điều quan trọng là robot AI đã tìm kiếm công thức hoàn hảo để tạo ra oxy trong bất kỳ mẫu nhất định nào từ gần 4 triệu cách kết hợp có thể có. Đây là điều mà con người có thể phải mất hơn 2.000 năm.

Các nhà nghiên cứu viết trong bài báo: “Nghiên cứu của chúng tôi cung cấp một minh chứng rằng, robot AI tiên tiến có thể tổng hợp các chất xúc tác OER trên sao Hỏa từ quặng địa phương mà không cần sự can thiệp của con người”.

Bước đầu tiên trong quá trình chiết xuất oxy bao gồm việc gửi mẫu thiên thạch đến cơ sở để phân tích trong phòng thí nghiệm hoàn toàn tự động. Sau đó, robot AI xử lý trước quặng – loại bỏ các tạp chất và vật liệu không mong muốn. Tiếp theo, robot sử dụng các vật liệu trong thiên thạch để tạo ra chất xúc tác – một quá trình gọi là tổng hợp xúc tác.

Loại chất xúc tác mà nó có thể tạo ra với nguồn tài nguyên sẵn có và hoạt động hiệu quả nhất để tách oxy có thể rất khác nhau. Vì vậy, việc lựa chọn loại chất xúc tác phù hợp là một bước quan trọng.

Đây là bước cần có sự xuất hiện của robot AI. Mô-đun tính toán trên robot – được mệnh danh là “bộ não tính toán” – kết hợp các thuật toán học máy với mô hình lý thuyết. Từ đó, phân tích cả dữ liệu thử nghiệm thu được từ robot và dữ liệu mô phỏng khổng lồ.

Khi hoạt động, robot AI thu thập thông tin, gửi dữ liệu thử nghiệm này đến máy chủ đám mây. Tại đây, bộ não tính toán sử dụng máy học để thực hiện hàng chục nghìn mô phỏng nhằm ước tính cách tốt nhất để tạo ra oxy.

Dữ liệu này được đưa vào mô hình mạng thần kinh. Mô hình này nhanh chóng được đào tạo lại và tối ưu hóa với dữ liệu thử nghiệm mới từ robot. Thuật toán xác định sự kết hợp tốt nhất của các vật liệu để tổng hợp chất xúc tác OER tốt nhất mà robot AI xác minh.

Sau đó, robot nhỏ giọt “mực xúc tác” được tối ưu hóa lên thiên thạch, sử dụng cùng với điện cực để tạo ra oxy. Các nhà nghiên cứu viết trong bài báo rằng, hệ thống này cũng có thể được sử dụng để tạo ra nhiều hóa chất và hợp chất khác.

Khi hoạt động, robot thu thập thông tin, gửi dữ liệu thử nghiệm đến máy chủ đám mây.

Sản xuất oxy từ carbon dioxide

Đây không phải là lần đầu tiên các nhà khoa học phát minh ra công cụ tạo oxy trên sao Hoả. Trước đó, NASA đã phát triển thiết bị thử nghiệm sản xuất oxy từ carbon dioxide trên sao Hỏa.

Thiết bị này hoạt động tốt hơn dự kiến và chứng minh khả năng giúp các phi hành gia tương lai khám phá hành tinh đỏ. Cụ thể, thiết bị MOXIE (Mars Oxygen In-Situ Resource Utilization Experiment) lớn cỡ chiếc lò vi sóng, nằm trên robot tự hành Perseverance. Thí nghiệm bắt đầu cách đây hơn hai năm, chỉ vài tháng sau khi robot hạ cánh trên sao Hỏa.

Theo NASA, từ sau đó, MOXIE đã sản xuất 122g oxy, đủ cho một con chó nhỏ hít thở trong 10 giờ. Thiết bị hoạt động bằng cách biến đổi một phần carbon dioxide dồi dào trên Hành tinh Đỏ thành oxy.

Ở đỉnh hiệu suất, MOXIE tạo ra 12g oxy/giờ với độ tinh khiết 98%, cao gấp đôi mục tiêu của NASA dành cho thiết bị. Ngày 7/8, MOXIE hoạt động lần thứ 16 và cũng là lần cuối cùng, hoàn thành mọi yêu cầu.

“Chúng tôi rất tự hào khi phát triển công nghệ đột phá như MOXIE, có thể biến tài nguyên địa phương thành sản phẩm hữu ích cho các nhiệm vụ khám phá trong tương lai.

Bằng cách cung cấp công nghệ này trong điều kiện thực tế, chúng tôi đã tiến gần một bước giúp phi hành gia sinh sống trên Hành tinh Đỏ”, Trudy Kortes - Giám đốc kiểm nghiệm công nghệ ở trụ sở của NASA, chia sẻ.

Bầu khí quyển mỏng của sao Hỏa chứa 96% carbon dioxide. MOXIE hoạt động bằng cách chia tách phân tử carbon dioxide. Cỗ máy tách riêng phân tử oxy và thải ra phụ phẩm là carbon monoxide.

Khi khí đi qua thiết bị, hệ thống của nó phân tích độ tinh khiết và chất lượng oxy. Vật liệu chịu nhiệt như lớp phủ bằng vàng và aerogel được dùng để chế tạo thiết bị bởi quá trình biến đổi đòi hỏi nhiệt độ 798 độ C. Những vật liệu này ngăn nhiệt lượng tỏa ra và phá hủy robot tự hành.

Phiên bản lớn và tốt hơn của MOXIE có thể cung cấp không khí hít thở được cho hệ thống hỗ trợ sự sống. Đồng thời, biến đổi và lưu trữ oxy cần thiết làm nhiên liệu tên lửa phục vụ hành trình quay về Trái đất.

“Hiệu suất ấn tượng của MOXIE cho thấy, việc khai thác oxy từ khí quyển sao Hỏa rất khả thi. Phát triển công nghệ cho phép con người sử dụng tài nguyên trên Mặt trăng và sao Hỏa rất quan trọng đối với xây dựng căn cứ dài hạn trên Mặt trăng. Đồng thời, hỗ trợ kế hoạch khám phá sao Hỏa”, Pam Melroy - Phó Giám đốc NASA, cho biết.

Vận chuyển hàng nghìn kg nhiên liệu đẩy tên lửa và oxy trong hành trình ban đầu từ Trái đất tới sao Hỏa là việc cực khó khăn và tốn kém, khiến tàu vũ trụ không còn chỗ cho những vật dụng thiết yếu khác. Công nghệ như MOXIE có thể giúp phi hành gia sử dụng tài nguyên xung quanh.

Bài học từ thí nghiệm MOXIE nhỏ có thể dùng để tạo ra hệ thống kích thước thực, bao gồm máy sản xuất, hóa lỏng và lưu trữ oxy. Bước quan trọng tiếp theo trong quá trình là kiểm tra các công nghệ khác trên sao Hỏa như công cụ và vật liệu xây môi trường sống.