Trong vòng 15 năm tới, NASA, Trung Quốc và SpaceX có kế hoạch gửi các sứ mệnh phi hành đoàn đầu tiên lên Sao Hỏa. Trong cả ba trường hợp, những sứ mệnh này đều nhằm mục đích tạo ra các môi trường sống trên bề mặt cho phép nhiều người quay trở lại và — rất có thể — là nơi định cư lâu dài của con người. Điều này đặt ra nhiều thách thức, một trong những thách thức lớn nhất là nhu cầu về nhiều không khí thoáng khí và chất đẩy. Cả hai đều có thể được sản xuất thông qua quá trình điện phân, trong đó trường điện từ được tác động vào nước (H2O) để tạo ra khí oxy (O2) và hydro lỏng (LH2).
Mô tả bằng đồ họa về động lực từ thủy động lực học để sản xuất hydro và oxy trong quá trình vận chuyển lên sao Hỏa. Tín dụng: Alvaro Romero-Calvo
Trong khi Sao Hỏa có lượng băng nước dồi dào trên bề mặt khiến điều này trở nên khả thi, thì các giải pháp công nghệ hiện tại vẫn chưa đạt được mức độ tin cậy và hiệu quả cần thiết cho việc khám phá không gian. May mắn thay, một nhóm các nhà nghiên cứu từ Georgia Tech đã đề xuất "Động lực từ thủy động lực để sản xuất hydro và oxy trong quá trình vận chuyển lên sao Hỏa" kết hợp nhiều chức năng vào một hệ thống không có bộ phận chuyển động. Hệ thống này có thể cách mạng hóa động cơ đẩy tàu vũ trụ và được chương trình Khái niệm tiên tiến đổi mới (NIAC) của NASA lựa chọn để phát triển Giai đoạn I.
Đề xuất này đến từ Alvaro Romero-Calvo, trợ lý giáo sư tại Viện Công nghệ Georgia và các đồng nghiệp của ông từ Tập đoàn Nghiên cứu Công nghệ Georgia (GTRC). Hệ thống này sử dụng một tế bào điện phân từ thủy động lực học (MHD), dựa vào trường điện từ để tăng tốc chất lỏng dẫn điện (trong trường hợp này là nước) mà không cần bất kỳ bộ phận chuyển động nào. Điều này cho phép hệ thống chiết xuất và tách khí oxy và khí hydro trong môi trường vi trọng lực, loại bỏ nhu cầu tuần hoàn nước cưỡng bức và các thiết bị liên quan (ví dụ: máy bơm hoặc máy ly tâm).
Là một chuyên gia về khoa học trọng lực thấp, cơ học chất lỏng và từ thủy động lực học, Romero-Calvo và nhóm của ông đã dành nhiều năm để nghiên cứu các ứng dụng của hệ thống MHD cho chuyến bay vũ trụ. Nhu cầu có một nghiên cứu chuyên biệt để đánh giá tính khả thi của khái niệm này và sự tích hợp vào cơ cấu sản xuất oxy phù hợp cuối cùng đã thúc đẩy đề xuất của họ. Trong một nghiên cứu trước đây, Romero-Calvo và đồng tác giả, Tiến sĩ Katharina Brinkert (giáo sư Hóa học tại Đại học Warwick) đã lưu ý rằng việc thu hoạch nước tại chỗ sẽ làm giảm khối lượng phóng của phương tiện như thế nào.
Tuy nhiên, họ cũng lưu ý rằng việc vận hành loại máy móc này trong môi trường vi trọng lực còn nhiều điều chưa biết, hầu hết trong số đó chưa được nghiên cứu hiện tại giải quyết. Đặc biệt, họ nhấn mạnh việc thiếu lực nổi trong môi trường vi trọng lực sẽ dẫn đến những thách thức kỹ thuật lớn như nhu cầu tách và thu thập các bong bóng oxy và hydro, vốn thường được giải quyết bằng cách sử dụng các vòng tuần hoàn nước cưỡng bức. Tuy nhiên, họ lập luận rằng điều này dẫn đến các thiết bị quản lý chất lỏng bao gồm nhiều phần tử và bộ phận chuyển động phức tạp, kém hiệu quả và không đáng tin cậy trong không gian. Như Romero-Calvo đã giải thích trong một bản tin gần đây của Georgia Tech:
"Ý tưởng sử dụng lực MHD để bơm chất lỏng đã được khám phá trong bộ phim kinh dị The Hunt for Red Oct năm 1990, trong đó một tàu ngầm tàng hình của Liên Xô được trang bị động cơ MHD trốn sang Hoa Kỳ. Mặc dù thật vui khi thấy Sean Connery đóng vai một Chỉ huy tàu ngầm Liên Xô, sự thật là động cơ đẩy MHD của tàu ngầm rất kém hiệu quả. Ngược lại, khái niệm của chúng tôi hoạt động trong môi trường vi trọng lực, nơi lực MHD yếu trở nên chiếm ưu thế và có thể dẫn đến khả năng thực hiện nhiệm vụ."
Thay vì các vòng tuần hoàn truyền thống, hệ thống MHD được đề xuất dựa vào hai cơ chế riêng biệt để tách oxy và hydro khỏi nước. Đầu tiên là do lực nghịch từ, phát sinh khi có từ trường mạnh và gây ra hiệu ứng nổi từ tính. Thứ hai, có lực Lorentz, là hệ quả của việc đặt một từ trường lên dòng điện tạo ra giữa hai điện cực. Như Romero-Calvo đã lưu ý trong bài viết đề xuất của họ:
"Cả hai phương pháp đều có khả năng tạo ra một thế hệ tế bào điện phân mới với tối thiểu hoặc không có bộ phận chuyển động, từ đó cho phép con người thực hiện các hoạt động trong không gian sâu với khối lượng và năng lượng tối thiểu. Ước tính sơ bộ cho thấy rằng việc tích hợp các chức năng sẽ dẫn đến giảm ngân sách hàng loạt tới 50% đối với kiến trúc Tổ hợp Tạo Oxy để có mức độ tin cậy 99%. Những giá trị này áp dụng cho chuyến vận chuyển tiêu chuẩn gồm bốn phi hành đoàn lên Sao Hỏa với mức tiêu thụ oxy là 3,36 kg mỗi ngày."
Hai CubeSats giao tiếp và sau đó di chuyển về phía nhau trong một buổi trình diễn công nghệ gần đây. Tín dụng: NASA
Nếu thành công, hệ thống HMD này sẽ cho phép tái chế nước và khí oxy trong các chuyến du hành vũ trụ dài hạn. Romero-Calvo và các đồng nghiệp khác tại Trường Kỹ thuật Hàng không Vũ trụ Daniel Guggenheim tại Georgia Tech đã chứng minh trong một bài báo khác rằng công nghệ này cũng có thể có các ứng dụng cho động cơ đẩy SmallSat dựa trên nước và các nhiệm vụ khác mà ISRU là bắt buộc. Hiện tại, Romero-Calvo và các đồng nghiệp của ông đã xây dựng khái niệm này và phát triển các mô hình phân tích và số học.
Bước tiếp theo sẽ có sự tham gia của nhóm và các đối tác của họ tại Giner Labs (một công ty R&D điện hóa có trụ sở tại Massachusetts) tiến hành các nghiên cứu khả thi. Trong chín tháng tới, họ sẽ nhận được 175.000 USD để khám phá khả năng tồn tại tổng thể của hệ thống và mức độ sẵn sàng về công nghệ. Chúng sẽ bao gồm chủ yếu các nghiên cứu tính toán nhưng sẽ bao gồm các nguyên mẫu thử nghiệm các công nghệ chủ chốt trên Trái đất. Theo đề xuất của Giai đoạn I, họ cũng sẽ đủ điều kiện cạnh tranh để nhận được nguồn tài trợ Giai đoạn II trị giá 600.000 USD cho một nghiên cứu kéo dài hai năm.
Người trình diễn ban đầu về công nghệ này đã được thử nghiệm trên chuyến bay thứ 24 của New Sheperd (NS-24), một sứ mệnh không người lái được khởi động vào ngày 19 tháng 12 năm 2023. Với sự hỗ trợ từ Blue Origin và Hiệp hội Nghiên cứu Không gian và Lực hấp dẫn Hoa Kỳ (ASGSR) , nhóm của Romero-Calvo đã thử nghiệm cách nam châm điện phân nước trong điều kiện vi trọng lực. Dữ liệu từ chuyến bay này và các cuộc thử nghiệm sắp tới sẽ cung cấp thông tin cho nguyên mẫu máy điện phân HMD và có thể dẫn đến một hệ thống được tích hợp trên các sứ mệnh không gian trong tương lai. Romero-Calvo nói:
Romero-Calvo giải thích: “Chúng tôi đang nghiên cứu các chế độ dòng chảy từ thủy động cơ bản phát sinh khi chúng tôi áp dụng từ trường vào máy điện phân nước trong điều kiện bay vũ trụ”. “Thí nghiệm Blue Origin, kết hợp với sự hợp tác hiện tại của chúng tôi với nhóm của Giáo sư Katharina Brinkert tại Đại học Warwick, sẽ giúp chúng tôi dự đoán chuyển động của bong bóng oxy trong môi trường vi trọng lực và nó gợi ý cách chúng tôi có thể chế tạo máy điện phân nước trong tương lai cho con người. "
