Đột Phá Sản Xuất Oxy Cho Khám Phá Không Gian

Hình minh họa cho phương pháp mới được trao giải NIAC 2025 trong dự án “Breathing Beyond Earth”.
NASA/Alvaro Romero-Calvo – Georgia Tech Research Corporation

Việc vận hành ổn định và hiệu quả các hệ thống duy trì sự sống trên tàu vũ trụ gặp nhiều thách thức trong môi trường vi trọng lực, do gần như không có lực nổi. Điều này ảnh hưởng đến quá trình điện phân nước để tạo oxy và hydro, buộc phải áp dụng các công nghệ quản lý dòng chảy đa pha phức tạp. Tuy nhiên, quá trình tách nước vẫn đóng vai trò thiết yếu trong các chuyến bay có người lái, giúp khép kín vòng kiểm soát môi trường – duy trì sự sống, và kết nối giữa hệ thống quản lý nước và khí quyển. Các hệ thống tạo oxy hiện có, dù hiệu quả cho các nhiệm vụ ngắn hạn, vẫn thiếu độ tin cậy và hiệu suất cần thiết cho các chuyến bay dài ngày, đặc biệt là cho hành trình đến Sao Hỏa.

Trong giai đoạn I của dự án NIAC, nhóm nghiên cứu đã chứng minh tính khả thi cơ bản của một kiến trúc tách nước mới, sử dụng lực điện từ thủy động học (MHD) để tạo và tách bong bóng oxy – hydro trong môi trường vi trọng lực. Hệ thống này, gọi là Magnetohydrodynamic Oxygen Generation Assembly (MOGA), không cần vòng tuần hoàn nước cưỡng bức hay các bộ phận chuyển động như bơm hoặc máy ly tâm để tách pha.

Sự thay đổi mang tính đột phá này mang lại nhiều ưu điểm vượt trội: khả năng chịu tải quá áp và thấp áp tốt hơn, gần như loại bỏ nguy cơ rò rỉ chất điện phân, hoạt động được trong phạm vi nhiệt độ và độ ẩm rộng hơn, dễ vận hành ở trạng thái chuyển tiếp, độ bền vật liệu cao hơn, ổn định hơn trong giai đoạn ngủ đông, yêu cầu độ tinh khiết nước thấp hơn, giảm nguy cơ phát triển vi sinh, và dễ dàng thay thế linh kiện. Tất cả những yếu tố này tạo nên một hệ thống đặc biệt bền vững.

Tổng thể, kiến trúc này giúp giảm 32,9% khối lượng và tiết kiệm 20,4% thời gian bảo trì của phi hành gia, so với Hệ thống Tạo Oxy trên ISS cho một nhiệm vụ vận chuyển 4 người đến Sao Hỏa – khiến nó trở thành giải pháp lý tưởng cho các sứ mệnh dài hạn.

Trong giai đoạn II, nhóm sẽ tìm câu trả lời cho các vấn đề còn tồn tại, đặc biệt liên quan đến: (i) hành vi điện hóa và dòng chảy đa pha lâu dài trong môi trường vi trọng lực, tác động đến tiêu thụ điện năng và ổn định bề mặt lỏng, (ii) chế độ vận hành chuyển tiếp của bộ MHD khi khởi động, tắt máy và ngủ đông, và (iii) cải tiến kiến trúc để dễ chế tạo và sửa chữa.

Để thực hiện, nhóm sẽ hợp tác với Viện ZARM tại Bremen và Trung tâm Hàng không Vũ trụ Đức (DLR) để thực hiện chuyến bay thử nghiệm hệ thống MHD quy mô lớn – miễn phí cho NASA – nhằm chứng minh các quy trình và thành phần quan trọng. Một hội đồng thẩm định độc lập gồm các chuyên gia trong ngành sẽ đánh giá sự tiến triển của dự án và hỗ trợ thương mại hóa.

Nỗ lực này sẽ tạo ra một hệ thống TRL-4, đồng thời mang lại lợi ích cho nhiều công nghệ khác mà NASA và công chúng quan tâm, như động cơ vệ tinh nhỏ (SmallSat) sử dụng nước và khai thác tài nguyên tại chỗ trên các hành tinh.