Trạm vũ trụ Thiên Cung lần đầu tạo ra oxy và nhiên liệu tên lửa bằng quang hợp nhân tạo: Bước ngoặt cho tương lai du hành vũ trụ

Trong hành trình mở rộng dấu chân con người ra ngoài Trái Đất, câu hỏi làm thế nào để duy trì sự sống và khả năng di chuyển trong không gian luôn là bài toán hóc búa. Một sứ mệnh kéo dài vài tháng hay vài năm đòi hỏi lượng oxy khổng lồ, cùng nguồn nhiên liệu để điều khiển các phương tiện vũ trụ. 

Việc liên tục vận chuyển những nguồn tài nguyên này từ Trái Đất không chỉ tốn kém mà còn gây áp lực lớn lên hạ tầng phóng. Vì thế, bất kỳ công nghệ nào giúp tạo ra oxy và nhiên liệu ngay trong môi trường không gian đều được xem là chìa khóa cho kỷ nguyên khám phá vũ trụ bền vững.

Mới đây, Trung Quốc đã công bố một bước tiến đáng chú ý. Trên trạm vũ trụ Thiên Cung, phi hành đoàn Thần Châu 19 đã vận hành thành công một hệ thống quang hợp nhân tạo đặc biệt, có khả năng chuyển đổi carbon dioxide và nước thành oxy và ethylene. Đây là lần đầu tiên công nghệ này được thử nghiệm thành công ngoài không gian, mở ra triển vọng sản xuất oxy và nhiên liệu ngay trên quỹ đạo, thay vì phải phụ thuộc hoàn toàn vào Trái Đất.

Theo ghi nhận từ chương trình không gian có người lái của Trung Quốc, thiết bị thử nghiệm có dạng như một ngăn kéo nhỏ, bên trong chứa các chất xúc tác bán dẫn. Khi được kích hoạt, hệ thống mô phỏng cơ chế quang hợp của thực vật, sử dụng ánh sáng để tách nước và chuyển hóa carbon dioxide thành oxy. 

Quan trọng hơn, sản phẩm phụ tạo ra ethylene có thể được xử lý tiếp thành nhiên liệu tên lửa, biến một thí nghiệm khoa học thành nền tảng tiềm năng cho các chuyến đi xa hơn trong tương lai.

Điểm đáng chú ý của công nghệ này nằm ở chỗ toàn bộ quy trình diễn ra trong điều kiện nhiệt độ phòng và áp suất khí quyển bình thường. Trong môi trường nghiên cứu hóa học truyền thống, việc tổng hợp các phân tử hữu ích như ethylene thường yêu cầu nhiệt độ cao hoặc áp suất lớn. 

Bởi vậy, việc thực hiện thành công trên trạm Thiên Cung không chỉ tiết kiệm năng lượng, mà còn chứng minh khả năng vận hành ổn định của các dòng khí và chất lỏng trong điều kiện vi trọng lực, một thách thức vốn được xem là rào cản lớn trong sản xuất ngoài không gian.

Đài truyền hình CCTV mô tả công nghệ này như một mô phỏng chính xác quá trình quang hợp tự nhiên, nhưng được thiết kế lại bằng phương pháp vật lý và hóa học nhằm khai thác nguồn carbon dioxide dồi dào trong cabin của trạm vũ trụ. 

Việc kiểm soát tốt quá trình này không chỉ cho phép sản xuất oxy, mà còn tạo điều kiện phát triển thêm nhiều hợp chất hữu ích. Với sự điều chỉnh phù hợp của chất xúc tác, hệ thống có thể tạo ra mêtan hoặc axit fomic, những nguyên liệu quan trọng trong chế tạo nhiên liệu hoặc thậm chí các hợp chất đường đơn.

Thành tựu mới này không xuất hiện đơn lẻ mà nằm trong chiến lược dài hạn của Trung Quốc về phát triển công nghệ hỗ trợ tuổi thọ quỹ đạo. Vào tháng 1 năm 2025, vệ tinh Shijian 25 đã thực hiện thành công thử nghiệm tiếp nhiên liệu trên quỹ đạo, đặt nền móng cho khả năng bảo trì và vận hành vệ tinh dài hạn mà không cần đưa về Trái Đất. 

Khi ghép lại với khả năng tạo nhiên liệu trực tiếp từ Thiên Cung, một hệ sinh thái không gian tự cung tự cấp đang bắt đầu hình thành. Trong tương lai, trạm vũ trụ có thể đóng vai trò như một trạm xăng trong không gian, sản xuất và phân phối nhiên liệu cho các vệ tinh hoặc tàu vũ trụ khác.

Bối cảnh rộng hơn của ngành hàng không vũ trụ cho thấy các quốc gia và tổ chức không gian đều đang theo đuổi mô hình sản xuất tại chỗ. Trên Trạm Vũ trụ Quốc tế, các phi hành gia đã sử dụng phương pháp điện phân để tạo oxy, tách nước thành hydro và oxy bằng điện từ các tấm pin mặt trời. 

Tuy nhiên, hệ thống này tiêu tốn tới một phần ba tổng năng lượng dành cho các thiết bị kiểm soát môi trường và hỗ trợ sự sống. Vì vậy, giải pháp quang hợp nhân tạo với mức tiêu thụ năng lượng thấp hơn rất nhiều được kỳ vọng sẽ thay đổi cách con người chuẩn bị cho các sứ mệnh dài ngày, đặc biệt là hành trình đến Mặt Trăng hoặc sao Hỏa.

Xu hướng tự sản xuất trong không gian cũng đang phát triển nhanh chóng. Cơ quan Vũ trụ châu Âu gần đây đã in 3D thành công các bộ phận kim loại ngay trên ISS, cho phép sửa chữa hoặc chế tạo linh kiện mới mà không cần vận chuyển từ Trái Đất. Kết hợp cùng công nghệ của Thiên Cung, viễn cảnh một hệ sinh thái sản xuất toàn diện trong quỹ đạo không còn quá xa.

Trung Quốc đang đặt mục tiêu đưa con người lên Mặt Trăng trước năm 2030, và những tiến bộ như quang hợp nhân tạo sẽ đóng vai trò quan trọng trong việc đảm bảo nguồn cung oxy và nhiên liệu kéo dài suốt hành trình. Việc giải quyết được hai yếu tố tối quan trọng là không khí thở và nhiên liệu đẩy giúp tăng đáng kể tính bền vững của các sứ mệnh, đồng thời giảm chi phí phóng khi không cần mang theo quá nhiều vật tư.

Sự kiện thử nghiệm thành công trên trạm Thiên Cung vì thế không chỉ đơn thuần là một thí nghiệm khoa học mà còn là cột mốc mang tính chiến lược. Nó đưa Trung Quốc tiến gần hơn tới khả năng xây dựng các cơ sở tự cung tự cấp trong không gian, từ trạm quỹ đạo, căn cứ Mặt Trăng cho đến các sứ mệnh sâu hơn trong hệ Mặt Trời. Trong bối cảnh cuộc đua không gian giữa các cường quốc đang nóng trở lại, mỗi bước tiến về công nghệ sản xuất tại chỗ đều tạo ra sự khác biệt đáng kể.

Với chỉ một thiết bị nhỏ gọn đặt trong phòng thí nghiệm của Thiên Cung, con người đã tiến thêm một bước dài trên con đường biến không gian thành nơi mà chúng ta có thể sinh sống và khai thác lâu dài. 

Oxy, nhiên liệu và các hợp chất hữu ích khác có thể được tạo ra ngay giữa quỹ đạo Trái Đất, mở ra cánh cửa cho những chuyến đi xa hơn và bền vững hơn. Và trong khoảnh khắc đó, khoảng cách giữa những vì sao dường như thu hẹp lại, đưa giấc mơ bay xa của nhân loại trở nên gần gũi hơn bao giờ hết.