Nguồn nhiên liệu cho các lò phản ứng tổng hợp hạt nhân là Heli-3 - một nguyên tố hóa học có rất nhiều trên Mặt trăng. Cuộc đua khai thác nguồn nhiên liệu này dần nóng lên.
Năng lượng khổng lồ
Cách đây hơn 80 năm, các nhà khoa học Luis Alvarez và Robert Cornog phát hiện sự tồn tại của Heli-3. Tiếp đó, năm 1986, Gerald Kulcinski là người đầu tiên đề xuất thám hiểm, khai thác lớp đất bề mặt Mặt trăng và sử dụng Heli-3 trong phản ứng tổng hợp hạt nhân. Tên của nguyên tố này bắt nguồn từ Helios, tên của thần Mặt trời trong thần thoại Hy Lạp, do nguồn gốc nguyên tố này được tìm thấy trong quang phổ trên Mặt trời.
Heli-3 có khối lượng nguyên tử là 3, hạt nhân của nó gồm 2 proton và 1 neutron. Heli-3 là sản phẩm phụ của các phản ứng xảy ra trong Mặt trời và có nhiều trong gió Mặt trời. Tuy nhiên, phần lớn chúng lại bị từ trường của Trái đất đẩy ra. Do vậy, trong khí quyển Trái đất, nồng độ Heli-3 rất thấp. Ước tính tổng lượng Heli-3 có trên Trái đất chỉ vào khoảng 15 tấn. Trong khi đó, hàng tỷ năm qua, Mặt trăng luôn được tiếp xúc với gió Mặt trời và do Mặt trăng không có khí quyển, nên đã dần dần tích lũy được Heli-3 trên bề mặt.
Theo ước tính, lượng Heli-3 có trong đất bề mặt của Mặt trăng từ 1-5 triệu tấn. Đánh giá của Bộ Năng lượng Mỹ năm 2010 cho thấy, 1g Heli-3 có giá 15.000 USD, đắt gấp 300 lần so với giá vàng hoặc bạch kim cùng trọng lượng.
Theo các chuyên gia, Heli-3 có thể cung cấp năng lượng hạt nhân an toàn hơn trong lò phản ứng nhiệt hạch, vì nó không phóng xạ và sẽ không tạo ra các chất thải nguy hiểm. Do nguồn Heli-3 ở Trái đất rất ít và chúng lại có nhiều trên Mặt trăng, nên khai thác Heli-3 từ đất bề mặt Mặt trăng để sử dụng như một nguồn năng lượng tiềm năng trong tương lai có thể ngăn chặn được khủng hoảng năng lượng trên Trái đất.
Cuộc đua dài hơi
Theo Giáo sư Ouyang Ziyuan, nhà khoa học chính từ Chương trình Khám phá Mặt trăng của Trung Quốc, hiện Trung Quốc đang nghiên cứu các loại đá được thu thập từ Mặt trăng và đánh giá vật liệu này như một nguồn năng lượng nhiệt hạch tiềm năng. Tàu Thường Nga 5, được phóng vào tháng 11-2020, đã mang 1,73kg vật chất từ Mặt trăng về Trái đất. Một lô đầu tiên gồm 31 mẫu, tổng trọng lượng gần 17,5 gam, bao gồm các loại hạt mịn, mảnh đá bazan và thủy tinh, đã được chuyển đến 13 cơ sở Trung Quốc vào tháng 7 vừa qua.
“Mục tiêu chính của nghiên cứu là xác định hàm lượng Heli-3 trong đất Mặt trăng. Các thông số khai thác của Heli-3 cho thấy, chúng ta có thể chiết xuất Heli ở nhiệt độ nào và hiểu bằng cách nào Heli-3 đã gắn vào đất trên Mặt trăng”, Huang Zhixin, nhà nghiên cứu thuộc Phòng Khoa học và Công nghệ, Viện Nghiên cứu địa chất Urani ở Bắc Kinh, cho biết.
Năm 2019, Trung Quốc đã đi vào lịch sử khi trở thành quốc gia đầu tiên hạ cánh tàu thăm dò ở vùng tối của Mặt trăng. Nước này đã chọn một cách tiếp cận khác trong cuộc đua năng lượng vũ trụ. Kể từ khi Hiệp định Artemis lần đầu tiên được công bố, Bắc Kinh đã tiếp cận Nga để hợp tác xây dựng cơ sở nghiên cứu về Mặt trăng.
Trong khi đó, Công ty Solar System Resources đã ký hợp đồng cung cấp 500kg Heli-3 được khai thác từ Mặt trăng cho Tập đoàn Hạt nhân Mỹ trong thời gian từ 2028-2032. Mỹ cũng đề xuất khung pháp lý toàn cầu cho việc khai thác trên Mặt trăng, được gọi là Hiệp định Artemis, khuyến khích khai thác vệ tinh tự nhiên của Trái đất và các thiên thể khác với mục đích thương mại.
Hiệp định Artemis đã được ký kết bởi Australia, Canada, Anh, Nhật Bản, Luxembourg, Italy và UAE. Cơ quan Hàng không Vũ trụ Mỹ (NASA) đã có kế hoạch xây dựng một căn cứ cố định trên quỹ đạo Mặt trăng được gọi là Gateway, tương tự như ISS. Từ đó, cơ quan này hy vọng sẽ xây dựng một căn cứ trên bề mặt Mặt trăng, nơi họ có thể khai thác các nguồn tài nguyên cần thiết để đưa các phi hành gia đầu tiên lên sao Hỏa.
Để biến Helium-3 ở Mặt trăng thành điện năng dùng cho nhu cầu trên Trái đất cần phải thực hiện 3 khâu công nghệ then chốt.
Thứ nhất, chế tạo lò phản ứng nhiệt hạch để tạo ra Heli-4 cùng với sản phẩm cuối cùng là điện năng. Hiện nay, con người đang chế tạo một lò phản ứng ở quy mô thí nghiệm mang tên “Lò phản ứng nhiệt hạch thí nghiệm quốc tế” (ITER) được xây dựng tại Cadarache, Pháp.
Thứ hai, phương tiện vận chuyển nguyên liệu từ Mặt trăng về Trái đất. Dĩ nhiên phải sử dụng tàu con thoi có sức chở lớn. Cho tới nay, chỉ có Mỹ là quốc gia duy nhất sản xuất và vận hành thành công hàng loạt tàu vũ trụ. Hiện mọi nỗ lực của NASA cũng như các tập đoàn tư nhân khác dưới sự khuyến khích của chính phủ đang lao vào nghiên cứu, thiết kế, thử nghiệm các thế hệ phi thuyền mới với mục đích du lịch vũ trụ. Nga cũng đang chạy đua nghiên cứu thiết bị vận chuyển mới.
Thứ ba là công nghiệp vũ trụ trên Mặt trăng. Để có được 1 tấn Helium-3, cần phải xử lý 100 triệu tấn đất Mặt trăng trên một khu vực khai thác có diện tích bề mặt 20km² với độ sâu 3m. Quặng sau khi được khai thác sẽ được nung tới nhiệt độ 7000C, sau đó được hóa lỏng để tách ra các đồng vị mong muốn.
Mạnh ai nấy làm
Sự quan tâm ngày càng lớn của các nước đối với nguồn tài nguyên Heli-3 trên Mặt trăng làm nảy sinh nhiều vấn đề liên quan tới quyền khai thác không gian. Hiệp định Mặt trăng năm 1979 do Liên hiệp quốc bảo trợ đã thiết lập nền tảng hay cơ chế cho việc khai thác các tài nguyên trên Mặt trăng. Nhưng trên thực tế, đây là một hiệp định thất bại vì nó chưa được phê chuẩn bởi bất kỳ quốc gia nào tham gia khám phá không gian hoặc có kế hoạch tham gia.
Tính đến tháng 12-2008, chỉ có 17 nước (Australia, Áo, Bỉ, Chile, Kazakhstan, Lebanon, Mexico, Morocco, Hà Lan, Pakistan, Peru, Philippines, Uruguay, Pháp, Guatemala, Ấn Độ và Romania) ký kết nhưng chưa phê chuẩn. Đến tháng 3-2012 có thêm Thổ Nhĩ Kỳ tham gia. Vì bản hiệp định chưa được bất kỳ cường quốc không gian nào phê chuẩn và hầu hết các cường quốc không gian cũng chưa ký, nên văn bản này không có tác động gì đối với hoạt động không gian hiện nay.
Do đó, hiện nay không có rào cản pháp lý nào ngăn chặn các cường quốc không gian khai thác tài nguyên trên Mặt trăng. Hơn nữa, như thực tế đã cho thấy, không có quốc gia nào trong tương lai gần có đủ khả năng cản bước Mỹ thiết lập căn cứ trên Mặt trăng hay tiến hành các hoạt động khai thác như họ muốn. Vì thế, Mỹ có lẽ sẽ theo đuổi chương trình năng lượng nhiệt hạch dùng Heli-3 mà không cần cộng đồng quốc tế chấp nhận.
