Các nhà máy của tương lai có thể lơ lửng ngoài vũ trụ

Sản xuất trên quỹ đạo sẽ mở đường cho các tấm năng lượng mặt trời tốt hơn, Internet tốc độ cao hơn, sản xuất chip máy tính sạch hơn và cả những trái tim người được nuôi cấy trong phòng Lab.

Việc các công ty tư nhân tham gia cung cấp dịch vụ vũ trụ giá rẻ có thể mở ra tương lai hoàn toàn mới cho ngành công nghiệp sản xuất. Theo công ty công nghệ không gian Bigelow Aerospace, mô hình không gian sống mở rộng của hãng có thể được sử dụng cho các nhà máy sản xuất trên quỹ đạo trái đất.

Mùa hè năm ngoái, một chiếc máy bay lượn cao rồi lao xuống từ độ cao hơn 9.144 km trên vịnh Mexico. Mục đích không phải để tìm kiếm cảm giác mạo hiểm, mà táo bạo hơn: cứ mỗi 25 giây, đường bay hình parabol đưa vật thể trên báy bay vào trạng thái mô phỏng không trọng lượng, trong khi một máy in công nghệ cao in ra tế bào tim gốc cho một cấu trúc tim 2 ngăn đơn giản.

Rất ấn tượng, nhưng đó cũng chỉ là một viên gạch nhỏ trên con đường hướng tới các mục tiêu táo bạo hơn. Các chuyên gia của nScrypt (nhà sản xuất máy in tế bào gốc), Bioficial Organs (nhà cung cấp mực in) và Techshot (công ty đưa ra ý tưởng cuộc thử nghiệm) đang có kế hoạch về bản in tim người đang đập trên trạm vũ trụ quốc tế ISS vào năm 2019. Chiếc máy in sẽ được đưa lên không gian bằng tên lửa thương mại.

Các công ty tư nhân trong ngành công nghiệp vũ trụ như Blue Origin;và SpaceX trước đó bị coi là những dự án đầu tư viển vông của các nhà tài phiệt từ tiền thuế của người dân. Tuy nhiên, sự nổi lên của các công ty này đã giúp giảm mạnh giá thành vận chuyển hàng hóa và thiết bị lên vũ trụ. Hiện nay, mất khoảng 5.000 USD để đưa 1 kilogram đồ đạc lên vũ trụ, rẻ hơn nhiều so với 30.000 USD trong thời kỳ dùng tàu con thoi. Do đó, ngày càng nhiều các doanh nhân, những nhà nghiên cứu tìm cách tiếp cận hướng đi tương đối rẻ này nhằm khai thác những lợi thế "độc quyền" trong quỹ đạo thấp của trái đất như môi trường chân không, tính vi trọng lực, nguồn năng lượng mặt trời vô tận và nguồn nhiệt độ cực trị để phát triển sản xuất. Những thí nghiệm của họ đang thúc đẩy đổi mới trong lĩnh vực y học, công nghệ và khoa học vật liệu. Cuối cùng, nếu thành công, việc sản xuất trên quỹ đạo có thể là cuộc cách mạng trong cách thức sản xuất của loài người.

Trái tim nhẹ hơn

Một bệnh nhân cấy ghép tim có thể mất nhiều tháng để tìm được một trái tim phù hợp. Sau đó họ cần dùng thuốc ức chế miễn dịch trong suốt phần đời còn lại để cơ thể không đào thải cơ quan nội tạng mới được cấy ghép. Một trái tim được in từ tế bào gốc của chính bệnh nhân đó có thể đến tay bệnh nhân nhanh hơn và giảm nguy cơ bị cơ thể đào thải. Nó cũng có thể được "may đo" hoàn hảo để vừa khít với kích cỡ của quả tim gốc của bệnh nhân.

Trong môi trường vi trọng lực giả lập các công ty đã in 3D thành công những cấu trúc nhỏ của tim

Nhưng, hóa ra trọng lực lại thực sự là vấn đề khi tiến hành in các quả tim trên trái đất. Để mực in sinh học phát triển, môi trường nuôi cấy tế bào gốc và các chất dinh dưỡng cần lượng nước đồng nhất và luôn ổn định đảm bảo các tế bào đủ linh hoạt để đan lại với nhau thành mô tim khỏe mạnh. Do đó, việc nuôi dưỡng tim trên trái đất cần một cấu trúc hỗ trợ. Không may, các nhà khoa học vẫn chưa dựng được cấu trúc khung mà sau đó có thể tháo gỡ và không làm hỏng cơ quan nội tạng mới được tạo nên.

Thay vào đó, với phương pháp in trong môi trường vũ trụ, Techshot cho rằng chúng ta có thể tạo nên một trái tim hoàn chỉnh mà không cần sử dụng khung đỡ. 

"Nếu cứ cố làm việc này trên trái đất, trái tim sẽ trông khá đẹp trong giây đầu tiên, và ngay sau đó sẽ tan ra, chảy tràn trên bàn", Boland nói. "Nó cũng giống như bạn vừa mới đổ một khuôn thạch rau câu và ngay sau đó lại lấy ra ăn luôn, thạch sẽ chảy ra thành một đống gelatin ở trên đĩa".

Tuy nhiên, môi trường vi trọng lực sẽ hỗ trợ duy trì hình dạng trái tim mà không cần khung đỡ. Một phần do trọng lực thấp làm hình dạng in 3D chính xác hơn. Trên trái đất, những vật thể 3D phức tạp như hình dạng trái tim cần được in dưới dạng các lớp 2D phủ lên nhau trong một quy trình rất dài và mất thời gian. CEO Kenneth Church của nScrypt gọi đây là "2D và 1/2". Việc in trong môi trường vi trọng lực cho phép vật thể được in ra ở dạng 3D, giúp tốc độ cải thiện lên tới 100 lần.

Máy in 3D hoạt động trong môi trường mô phỏng không trọng lực trên máy bay đang lao xuống

Trong chuyến bay đường Parabol hồi tháng 7, cấu trúc tim đầu tiên được nScrypt và Techshot in đã mất một nửa chiều cao chỉ trong 1 phút sau khi trọng lực được thiết lập lại trên máy bay. Trạng thái không trọng lực trên trạm ISS sẽ giúp các tế bào gốc giữ được hình dạng trong suốt quá trình kết hợp với nhau tạo thành mô của một trái tim đang đập. Boland ước tính trái tim được sản xuất ngoài vũ trụ có thể sẵn sàng trở lại trái đất khoảng 45 ngày sau khi bắt đầu quá trình nuôi cấy.

Church cho rằng dự án này là một cách giúp xóa bỏ sự thất vọng với công nghệ in 3D. "Mọi người đã bắt đầu cảm thấy chán ngán với các nhân vật Yoda được in ra rồi", ông nói. "Họ nói rằng ‘Anh hứa cho tôi một trái tim. Nó đang ở đâu?' Và những gì tôi nói với bạn là ‘Nó đang ở trên vũ trụ'".

Không còn sản xuất cáp thông thường

Ioana Cozmuta, nhà vật lý thuộc văn phòng vũ trụ NASA đã đánh giá hàng trăm công nghệ liên quan tới vũ trụ. Nhiệm vụ của cô là tìm kiếm đối tác tiềm năng muốn kinh doanh trong lĩnh vực này. "Mục tiêu của tôi là giúp những câu chuyện thành công trong ngành công nghiệp vũ trụ được thương mại hóa," cô nói.

Một phần công việc của Cozmuta là quan ngại về nỗi thất vọng dễ phát sinh từ một lĩnh vực hào nhoáng nhưng đầy rủi ro. Những vụ nổ đã xảy ra cho chúng ta thấy rằng ngay cả doanh nhân Elon Musk cũng không tránh khỏi những sai lầm tốn kém bởi sự phức tạp khủng khiếp của ngành khoa học tên lửa. Theo dự đoán năm 2008 của Richard Branson thì đến giữa năm 2010 du lịch vũ trụ sẽ thương mại hóa. Rồi đến sau Giáng sinh 2013 rồi Giáng sinh 2014, và kết thúc bằng một tai nạn chết người trong một chuyến bay thử. Ngành công nghiệp vũ trụ rất khó, thậm chí với cả những người thông minh nhất, những doanh nhân giàu có nhất trên trái đất. Từng đánh giá hàng trăm công ty cho cổng vũ trụ NASA, Cozmuta phải "chăm sóc" những người có những ý tưởng kinh doanh vũ trụ thú vị cho dù kế hoạch đó vẫn đầy lỗi.

FOMS, một công ty ở phía Nam bang California, vừa giành được khoản đầu tư để bắt đầu sản xuất trên ISS vào năm tới một phần là vì có thể đảm bảo dự án an toàn về kinh tế. Dmitry Starodubov, nhà khoa học chính của FOMS quyết định chuyển giao ý tưởng khai thác kim loại hiếm trong vũ trụ như bạch kim (hiện đang bán với giá khoảng 30.000 USD/kg). Như thế vẫn chưa đủ để ngành khai thác vũ trụ có được lợi nhuận. "Ngay cả khi mặt trăng được làm bằng bạch kim tinh khiết, thì cũng chưa khả quan về mặt thương mại nếu chúng ta khai thác bạch kim trên mặt trăng và sau đó vận chuyển về trái đất".

Thay vào đó, FOMS hướng mục tiêu đến một thứ nhẹ hơn và thậm chí còn có giá trị hơn: sợi cáp quang ngoài vũ trụ. Một sợi cáp quang điển hình, có thể chính là loại sợi cáp đang giúp truyền tải những dòng chữ này lên màn hình của bạn, được bán với giá khoảng từ 3.000-5.000 USD mỗi kilogram. Nhưng, những sợi cáp quang ngoài vũ trụ có khả năng truyền dữ liệu nhiều hơn, khiến cho việc truyền tải dữ liệu được rẻ hơn bởi cần ít điện năng hơn. Loại đắt nhất có thể lên tới vài triệu USD mỗi kilogram. Đây là tỷ lệ giữa giá trị và trọng lượng sản phẩm xứng đáng với những chi phí và rủi ro của việc sản xuất trong vũ trụ.

Sợi cáp quang được sản xuất trong môi trường không trọng lực (ảnh trái) sáng hơn loại được sản xuất trên trái đất (phải). Điều này có nghĩa giảm thiểu việc mất dữ liệu, chuyển tải nhiều dữ liệu hơn và tiêu tốn ít năng lượng hơn.

Những sợi quang học ngoài vũ trụ như ZBLAN có thể sản xuất trên trái đất, tuy nhiên không dễ dàng. Quá trình sản xuất ZBLAN thông thường bao gồm làm nóng hay còn gọi là "tạo hình trước" một loại kính đặc biệt tới nhiệt độ hơn 300 độ C và sau đó thả xuống từ một tháp thả cao khoảng từ 10-20m giống như một chuỗi kẹo cao su chảy dài. Tuy nhiên, kích cỡ của giọt kính nóng màu trắng này lại giới hạn độ dài của cáp với chiều dài tối đa khoảng 700m. Lý tưởng nhất thì các nhà sản xuất muốn có những đoạn cáp dài hơn bởi những điểm kết nối là điểm làm mất tín hiệu. Thêm vào đó, trọng lực gây ra vết đọng trong cấu trúc tinh thể của ZBLAN, tạo ra những sai sót khiến tín hiệu yếu hơn.

Đó là lý do tại sao Starodubov quyết tâm đưa ZBLAN và các vật liệu khác lên ISS, để có một sản phẩm với số lượng và chất lượng tốt hơn nhiều so với khả năng có thể trên trái đất. Ông đã tạo ra một nguyên mẫu sử dụng thiết bị có kích cỡ tương đương một tháp thả và sợi cáp quang sẽ được cuộn giống như vòi tưới cây. "Về lý thuyết có thể kéo hàng trăm km trong 24 tiếng," Cozmuta cho biết. Và trong môi trường vi trọng lực việc kết tinh sẽ không xảy ra.

Dù ZBLAN rất khó để sản xuất trên trái đất nhưng chất liệu này hấp dẫn các nhà nghiên cứu bởi nó có khả năng chuyển tải ánh sáng với một quang phổ rộng hơn silica, gồm cả tia cực tím và tia hồng ngoại sâu. Điều này có thể hữu ích cho các công nghệ trong tương lai như: phẫu thuật laze dùng tia cực tím, công cụ sản xuất hồng ngoại an toàn cho mắt, các biện pháp chống lại tên lửa tầm nhiệt. Và cũng có thể làm đường ống băng thông lớn hơn, Cozmuta ước tính, so với cáp quang silica hiện nay thì ZBLAND sản xuất ngoài vũ trụ sẽ giảm việc mất tín hiệu 100 lần. Ngoài ra, nó có thể giúp quá trình gửi dữ liệu rẻ hơn, bởi cùng một lượng dữ liệu có thể gửi qua một khoảng cách dài hơn, sử dụng ít năng lượng hơn, đòi hỏi thiết bị truyền tải ít tốn kém hơn.

Vậy làm thế nào để cuộn cáp trở về trái đất? "Bạn có thể mang chúng trở lại trên SpaceX ," Cozmuta nói.

Phần sáng hơn của Asen

Một số vật liệu sản xuất ngoài vũ trụ không cần trở lại trái đất mới có thể có ích. Như trường hợp của chất bán dẫn gallium-arsenide (GaAs), có giá khoảng 5.000 USD cho mỗi lát dày khoảng 2 cm. Quá trình sản xuất chất này sinh ra nhiều sản phẩm phụ độc hại (Asenic). Tuy nhiên, GaAs lại tạo nên những tấm pin năng lượng mặt trời tuyệt vời có khả năng chuyển đổi 40% ánh sáng thành năng lượng, trong khi các tấm pin làm bằng silicon được lắp đặt phổ biến trên trái đất lại chỉ có hiệu năng từ 15-20%.

Vào những năm 90 trên con tàu vũ trụ của NASA có tên Wake-Shield Facility, Alex Ignatiev, nhà khoa học vật liệu tại đại học Houston lần đầu tiên sản xuất chất bán dẫn gallium-arsenide trong môi trường chân không. Chất bán dẫn được sản xuất ngoài vũ trụ có chất lượng tốt hơn tới 10.000 lần so với sản xuất trên trái đất. Đó là bởi nguyên tử oxi và môi trường chân không trên vũ trụ cho phép hàng trăm, thậm chí là hàng nghìn lớp nguyên tử được xếp chồng khít lên nhau mà không bị xô lệch. Việc này giúp tăng hiệu quả chuyển đổi năng lượng mặt trời, về mặt lý thuyết, gallium-arsenide có thể sản sinh năng lượng mặt trời với hiệu năng tới 60%.

Ignatiev hình dung các tấm gallium-arsenide sẽ rộng hàng km trên quỹ đạo và thu năng lượng mặt trời sau đó rọi lại trái đất thông qua các sóng viba, giống như những trang trại mặt trời được giới thiệu ở Nhật vào năm 2015. Thay vì tạo ra những tấm pin mỏng trên trái đất và làm vỡ chúng trong quá trình di chuyển, Ignatiev muốn lắp ráp các pin mặt trời trong không gian, như là một cách để giảm đáng kể chi phí.

Các tấm pin năng lượng mặt trời làm từ gallium arsenide, như trên tàu vũ trụ Dawn của NASA, có hiệu suât lớn hơn các tấm làm bằng silicon. Tuy nhiên, sản xuất gallium arsenide sinh ra các sản phẩm phụ độc hại. Sản xuất tấm pin mặt trời ngoài không gian có thể giảm thiểu những tác dụng phụ độc hại này, đồng thời hiệu năng của sản phẩm cũng cao hơn.

"Khi bạn trong vũ trụ, bạn có thể đi vào quỹ đạo đồng bộ, vì vậy bạn luôn hướng về phía mặt trời và sau đó chiếu xuống một địa điểm trên trái đất," ông nói. Vị trí trên trái đất sẽ nhận tín hiệu sóng viba phải đủ để không gây hại cho máy bay, chim chóc, hoa màu hay gia súc.

Dĩ nhiên không ai muốn quỹ đạo thấp của trái đất biến thành bãi chất thải độc hại. Thật may, vũ trụ lại có khả năng độc đáo có thể phá vỡ dư lượng chất độc. Ngoài vòng bảo vệ bầu khí quyển của trái đất, bức xạ cực tím từ mặt trời sẽ phân chia các phân tử nguy hiểm và các chất phân tán một cách vô hại. "Hành tinh của chúng ta là một hệ thống kín, trong đó vũ trụ lại là môi trường mở có khả năng ăn mòn hầu hết các phân tử," Ignatiev cho biết. "Chúng sẽ vỡ ra hoặc bốc hơi vào môi trường chân không trong vũ trụ".

Ý tưởng về việc di chuyển các ngành sản xuất độc hại khỏi trái đất gợi lại những nhận xét có vẻ khó hiểu của người sáng lập Amazon.com và Blue Origin vào tháng 6 và sau đó là tháng 9 vừa rồi. "Bạn tới vũ trụ để bảo vệ trái đất". Vì lý do môi trường, chúng ta cần phải xây dựng "các nhà máy chip khổng lồ trên vũ trụ", nơi mà những ngành công nghiệp độc hại như chế tạo chất bán dẫn sẽ bị di chuyển hoàn toàn khỏi hành tinh.

Trong khi những thiết bị điện tử nhìn đẹp lung linh thì việc làm ra những con chip lại cực kỳ ô nhiễm. Theo tính toán của Cozmuta, sản xuất một mạch tích hợp 12 inch cần 8.328 lít nước, dùng để rửa và làm mát chip. Trong năm 2015, chúng ta đã sản xuất 900 tỷ mạch dạng này. Dù đã có nỗ lực xử lý nước thải, những công ty sản xuất bán dẫn tại Mỹ vẫn có tên trong 10.000 vụ vi phạm bảo vệ môi trường trong khoảng từ năm 2003 đến 2013. Tuy nhiên, ai sẽ cần đến nước nữa nếu đã có môi trường chân không cực lạnh trên vũ trụ để làm nguội? 

Sản xuất trên vũ trụ

Dù những tiềm năng kể ra có vẻ lôi cuốn, ngành sản xuất ngoài vũ trụ vẫn sẽ tốn một khoản tiền khổng lồ với độ rủi ro cao. Những rủi ro đe dọa tính mạng và chi phí lớn là rào cản chính. Nhưng không có nghĩa là không thể thực hiện việc này. Sau khi in trái tim thành công trong môi trường không trọng lượng, Boland của Techshot đã dành thời gian để ăn mừng dấu mốc quan trọng này. "Chúng tôi rất ngạc nhiên, tôi có thể nói với bạn là những người ngoài kia [không gian] đã thực hiện một cú nhào lộn, theo nghĩa đen".

Church của hãng nScrypt thì đang nghĩ xa hơn về những trái tim được in trên ISS. Giả sử họ có thể tăng tốc độ sản xuất, những ưu điểm của in 3D với phương pháp in 2,5D từng lớp một sẽ cho phép việc in trên không gian cạnh tranh ngay cả với những nhà sản xuất quy mô lớn trên mặt đất. Ý tưởng của Ignatiev về tấm pin năng lượng mặt trời rộng hàng km làm từ gallium-arsenide trên vũ trụ là một ví dụ điển hình. "Tôi muốn in mọi thứ trên vũ trụ," Church nói.

Nguyễn Huyền

Theo: Popular Science