Trữ lượng nước có trên mặt trăng có thể nhiều hơn NASA đã dự đoán

Trong hầu hết kỉ nguyên du hành vũ trụ, Mặt trăng đã luôn được coi là một thế giới không có nước. Nhưng các phát hiện mới trong vài năm trở lại đây dường như đang chứng minh điều ngược lại.

Đầu tiên là việc tìm ra nước ở các miệng núi lửa lớn, luôn nằm trong vùng tối tại hai cực của Mặt trăng. Chưa dừng lại ở đó, mới đây, hai nghiên cứu mới đăng tải trên Nature Astronomy thậm chí còn hứa hẹn về một Mặt trăng với nguồn nước dồi dào.

Thời điểm xuất hiện của những nghiên cứu trên cũng rất hợp lý khi mà NASA và các cơ quan vũ trụ khác đang lần lượt lên kế hoạch cho những sứ mệnh đầy tham vọng bao gồm thám hiểm hoặc thậm chí là định cư trên Mặt trăng. Suy cho cùng thì nơi nào có nước, nơi đó có sự sống, ngay cả khi sự sống ấy chỉ có thể được duy trì trong bộ đồ bảo hộ và trong môi trường sống chống chịu được bức xạ.

Tín hiệu khả quan về sự tồn tại của nước ở khu vực được chiếu sáng

Chút manh mối đầu tiên về sự tồn tại của nước trên mặt trăng xuất phát từ dữ liệu thu thập từ Đài quan sát tầng bình lưu cho Thiên văn học hồng ngoại (Stratospheric Observatory for Infrared Astronomy – SOFIA). Thực tế, đây là một chiếc máy bay Boeing 747SP đã qua chỉnh sửa, nó mang theo kính viễn vọng đường kính 2,7 mét, di chuyển ở độ cao nằm ngoài 99% tầng hơi nước che khuất của bầu khí quyển – một vị trí độc đáo cho phép ta thực hiện quan sát bằng tia hồng ngoại mà không cần sử dụng tới các phương tiện ngoài vũ trụ.

Vào cuối tháng 8/2018, Casey Honniball, một thành viên của chương trình Hậu Tiến sỹ của NASA tại Trung tâm Du hành Vũ trụ của cơ quan này, kiêm nhà nghiên cứu tại trường Đại học Hawaii ở Manoa, cùng một nhóm các nhà khoa học đã sử dụng các thiết bị hồng ngoại có trên SOFIA để nghiên cứu về phần bề mặt được chiếu sáng của Mặt trăng. Công đoạn quan sát kéo dài 10 phút, tập chung vào một khu vực có vĩ độ cao về phía Nam gần miệng núi lửa lớn Clavius; nhóm nghiên cứu đã phát hiện ra một bức xạ hồng ngoại khá mạnh có bước sóng 6 micro-mét từ núi lửa và các khu vực lân cận. Dù bị làm ấm bởi ánh nắng mặt trời nhưng một thứ gì đó trên bề mặt Mặt trăng đang tạo ra bức xạ phản chiếu giống với đặc tính của phân tử nước – H2O.

Hệ thống SOFIA của NASA khi đang thực hiện đo đạc viễn thám từ trên cao

"Chúng tôi không hề có thông tin về bất kì loại vật liệu nào có trên Mặt trăng có thể phát ra bức xạ quang phổ ở bước sóng 6 micro-mét ngoài H2O", Honniball và đồng nghiệp ghi lại trong phát hiện của mình. Nhóm tác giả cũng gợi ý rằng lượng nước trên rất có thể được tích trữ trong thủy tinh núi lửa tự nhiên hoặc bị kẹp trong các hạt bụi có kích cỡ cực nhỏ. Cả hai khả năng trên đều có thể tạo ra lớp chắn bảo vệ nước khỏi nhiệt độ khủng khiếp cùng môi trường gần chân không của bề mặt mặt trăng, nhờ đó mà nó có thể tồn tại. Còn về nguồn gốc của nước thì không ai có một lý do chắc chắn, nhưng những lý giải đang nhận được nhiều người đồng tình chính là nước có thể được hình thành từ ôxi và hidrô giải phóng từ đá Mặt trăng bởi những vụ va chạm trên quy mô cực kì nhỏ.

Sử dụng SOFIA là một hướng tiếp cận mới và độc đáo đối với khoa học Mặt trăng,; nhưng đây không phải là lần đầu tiên các phương thức quan sát từ trái đất phát hiện được bức xạ 6 micro-mét từ mặt trăng. Honniball bổ sung rằng các quan sát từ khí khí cầu thực hiện bởi hai nhà thiên văn học là G. R. Hunt và J. W. Salisbury cũng thu được dải quang phổ tương tự. Nhưng Hunt và Salisbury lại không hề đề cập tới phát hiện này trong báo cáo nghiên cứu của mình công bố vào năm 1969. Thay vào đó, họ tập chung vào việc mô tả tính chất của các khoáng chất có trên bề mặt mặt trăng. "Có thể họ chỉ không biết rằng mình vừa tạo nên một phát kiến lớn", Honniball suy luận.

Nước hay chỉ là vật thể tương đồng?

Honniball và đồng nghiệp của còn tiếp tục dành thêm chút thời gian với SOFIA trong các lần quan sát tiếp theo. Cô cho biết: "Chúng tôi mong là sẽ lập được bản đồ phần lớn của mặt trăng để mô tả đặc tính của nước. Liệu nó có thay đổi tùy theo khu vực, theo thời gian trong ngày, và theo vĩ độ hay không? Điều này sẽ giúp chung tôi hiểu thêm về nguồn gốc của nó và nơi mà nước tích tụ".

Và cũng nó cũng chính là lời khẳng định với toàn thế giới về mức độ hữu dụng mà nghiên cứu mới này mang lại. Việc khai thác sẽ dễ dàng hơn nếu nước tồn tại chủ yếu trên bề mặt sỏi đá: người ta sẽ chỉ cần xúc đất mặt trăng lên và sử dụng nhiệt lượng vừa phải. Còn nếu nước bị khóa chặt trong thủy tinh, ta sẽ cần phải nung chảy loại vật liệu này để giải phóng nước – một quá trình đòi hỏi rất nhiều năng lượng.

Honniball cho biết: "Hiện tại chúng tôi vẫn chưa ước tính được xem lượng nước mà mình quan sát được trên SOFA có đáng để khai thác bằng cách nung chảy thủy tinh hay không. Tuy nhiên, nếu phát hiện được trữ lượng đủ lớn, phương pháp này có thể sẽ là một lựa chọn khả thi hơn trong việc khai thác nước đá từ các vùng tối vĩnh cửu, nơi có môi trường khắc nghiệt và khó để khai thác".

Jack Schmitt, nhà địa chất học là thành viên của phi hành đoàn sứ mệnh Apollo 17 đồng thời là một trong những chuyên gia từng đặt chân lên mặt trăng còn sống, cho rằng các đo lường thực hiện bởi SOFIA có thể đã tìm thấy một loại phân tử nào đó mỏng manh và tồn tại ngắn hạn, chứ không phải là nước. "Câu hỏi mà tôi muốn đặt ra là nếu liệu dữ liệu SOFIA thu được hóa ra là một thể liên kết yếu giữa phân tử hidrô trong gió mặt trời với ôxi ở bề mặt của khối kính silicat và khoáng thạch có trên lớp đất mặt thay vì phân tử nước thì sao?", Schmitt nói.

Một sản phẩm của phản ứng kể trên có thể là hidrôxit, gốc tự do thiếu một nguyên tử hidro để tạo thành nước. Tuy nhiên, Honnibal cho biết quang phổ 6 micro-mét được nhìn thấy bởi SOFIA không tương đồng với hidrôxit.

Song, Schmitt cũng lưu ý rằng cho dù hợp chất mà SOFIA nhìn thấy là gì đi chăng nữa, thì ta cũng chỉ cần tới những kiến thức hóa học cơ bản là đủ để cho phép tạo ra hơi nước từ ngay cả những vật liệu khô nhất trên mặt trăng. Ông nói: "Đốt nóng lớp đất mặt có chứa hydro tới vài trăm độ có thể khiến một phần hydro trong đó phản ứng với oxy có trong kính silicat để tạo ra nước từ bất kì nơi nào trên mặt trăng".

Những chấm nhỏ, nhưng vô vàn khả năng

Một nghiên cứu khác cũng mới được đăng tải trên Nature Astronomy đã nhấn mạnh về một xu hướng tăng lên về những điểm trữ nước tại vùng tối của mặt trăng. Những điểm này được gọi là bẫy ngưng tụ (cold trap), chúng là những vị trí có điều kiện nhiệt độ khắc nghiệt đủ để làm cô lập nước vô thời hạn, cho phép nó tạo thành những mỏ chứa nước sau một khoảng thời gian địa chất.

Mô tả kĩ hơn về bẫy ngưng tụ có ở phần cuối bài viết.

Phần vành được chiếu nắng của Shackleton, một miệng núi lửa lớn và sâu ở cực Nam mặt trăng. Vùng tối bên trong nó chính là nơi chứa băng đá

Giới khoa học đã nghiên cứu những vùng nêu trên của mặt trăng trong suốt nhiều thập kỉ để để phân tích tiềm năng trữ nước của chúng, nhưng những nghiên cứu trước kia chỉ tập chung vào lượng nước lớn bị kẹt lại trong những miệng núi lửa lớn nằm ở hai vùng cực của mặt trăng. Ngược lại, nghiên cứu mới này lại mở rộng phạm vi nghiên cứu xuống cả những bẫy ngưng tự có đường kính chỉ 1 cm. Từ việc phân tích những hình ảnh độ phân giải cao chụp bởi Tàu trinh sát ngoài quỹ đạo mặt trăng (Lunar Reconnaissance Orbiter) của NASA, một nhóm nhà khoa học dẫn đầu bởi Paul Hayne thuộc trường Đại học Colorado Boulder, đã tìm ra rằng những bẫy ngưng tụ "kích cỡ nhỏ" nêu trên phổ biến hơn nhiều so với các bẫy lớn có ở hai cực của mặt trăng mà trước nay ta vẫn đang tập chung nghiên cứu. Dữ liệu mới ước tính được rằng tổng diện tích bề mặt có chứa nước trên mặt trăng có thể lên tới gần 40.000 km² – nếu cộng gộp lại thì sẽ giống một lòng trảo khổng lồ rộng gấp đôi xứ Wales.

Hayne cho biết: "Những bẫy ngưng tụ cỡ nhỏ mới được khám phá là loại chiếm đa số trên mặt trăng, nhiều gấp hàng nghìn lần số các bẫy ngưng tụ đã được thống kê trước đây. Nếu quả thực chúng chứa đầy băng thì đây có thể mang lại lượng nước đánh kể, có lẽ là hơn một tỷ kilogam nước".

Tuy nhiên, ông cũng bổ sung rằng các mẫu vật thực địa thu thập bởi robot hoặc phi hành gia cần phải đánh giá kĩ lưỡng thành phần của lớp băng ấy. "Điểm thú vị nhất của các bẫy ngưng tụ nhỏ nằm ở chỗ chúng dễ tiếp cận hơn rất nhiều, điều này có thể cho phép nâng cao hiệu suất của hoạt động khai thác và sự tối ưu cho cả mục đích khoa học lẫn thám hiểm", ông nói. Thật vậy, sự tồn tại của những hồ chứa băng nhỏ tiềm tàng này có thể dễ dàng tiếp cận hơn cho các sứ mệnh của tương lai, bởi đều nằm ở những khu vực mà phi hành gia có thể dễ dàng vươn tới bằng công cụ từ vùng được chiếu sáng để thực hiện hoạt động khai thác.

Còn ở hiện tại, để có thể tiếp tục đánh giá giá trị của những bẫy ngưng tụ nhỏ này, Hayne và những đồng nghiệp sẽ sử dụng một camera công nghệ cao gắn trên Hệ thống hình ảnh hồng ngoại mặt trăng cỡ nhỏ (Lunar Compact Infrared Imaging System) - thứ sẽ được đi kèm với sứ mệnh lần đầu tiên đáp xuống cực Nam mặt trăng trong chương trình Vận chuyển hàng hóa tới mặt trăng bằng nhà thầu thương mại (Commercial Lunar Payload Services) của NASA vào năm 2022 tới. Chiếc camera này sẽ chụp ảnh cận vật thể của những bẫy ngưng tụ nhỏ và đo đạc nhiệt độ của chúng.

Thực địa

Một mặt, SOFIA và các nghiên cứu về bẫy ngưng tụ nhỏ đều là những tin đáng hoan nghênh. Dẫu vậy, bức tranh tổng thể vẫn chưa hề thay đổi.

Ian Crawford, một chuyên gia về mặt trăng tại Birkbeck, trường Đại học London, cho rằng nước trên mặt trăng càng dễ tiếp cận thì cơ hội khai thác và sử dụng tức thì để kéo dài sứ mệnh càng lớn. Về sau, sự phát triển của hoạt động khai thác nước trên mặt trăng có thể thổi bùng lên một ngành kinh tế ngoài hành tinh mới, mà trong đó các loại vật chất sẽ trở thành nguồn nhiên liệu đáng giá cho tên lửa và những mặt hàng tiêu dùng quý giá khác. Dù vậy, ở hiện tại, "các phép đo thực địa chính là yếu tố cần thiết nhất để nhằm xác thực những suy luận mà ta có được từ những phép đo viễn thám", Crawford nói.

Angel Abbud-Madrid, giám đốc Trung tâm Tài nguyên Vũ trụ của trường Mỏ Colorado, cũng khẳng định rằng đo đạc thực địa chính là bước tiến quan trọng tiếp theo mà ta cần thực hiện sau những phát hiện mới nêu trên. Ông nói: "Điều mà giờ ta cần nhất chính là chạm vào bề mặt của mặt trăng và thu thập thông tin thực địa. Để tiếp tục tiến hành những khám phá hiện có, cùng những kế hoạch sử dụng tài nguyên, việc phải làm không chỉ là xác nhận có hay không sự tồn tại của nước đá, mà ta còn phải xác định được hình thái, nồng độ, sự phân bố và trữ lượng của loại tài nguyên này".

*Theo Wikipedia (tiếng Anh) thì bẫy ngưng tụ (cold trap) là một dụng cụ dùng để ngưng tụ tất cả các loại hơi, ngoại từ khí vĩnh cửu, thành chất lỏng hoặc chất rắn. Các loại bẫy ngưng tụ lớn là thành phần không thể thiếu khi cần loại bỏ một lượng lớn chất lỏng, ví dụ như khi sấy đông khô. Cơ chế hoạt động của bẫy chủ yếu là sử dụng nhiệt độ cực thấp để hóa rắn hoặc lỏng khí. – Người dịch chú thích.

Trung ND theo Scientific American