Khai thác kim cương trên các hành tinh trong hệ Mặt Trời

Hai nhà khoa học Mona Delitsky và Kevin Baines vừa thông báo rằng có khả năng sẽ tìm thấy được kim cương ở các hành tinh thuộc hệ Mặt Trời như sao Thổ, sao Mộc, sao Hải Vương và sao Thiên Vương.;

Công trình nghiên cứu của họ vừa được công bố vào thứ Tư vừa qua tại hội nghị của Hiệp hội Thiên Văn Mỹ về Khoa học Hành tinh ở Denver, Hoa Kỳ.

Theo nhà nghiên cứu Mona Delitsky của trung tâm California Specialty Engineering và Kevin Baines thuộc Đại học Wiscosin, bầu khí quyển của những hành tinh khí này có nhiệt độ và áp suất phù hợp để chuyển hóa cacbon thành kim cương. 

Các nghiên cứu trước đây đã chỉ ra tiềm năng của Thiên Vương tinh và Hải Vương tinh trong ngành kinh doanh kim cương không gian, nhưng tính toán của Delitsky và Baines cho thấy sao Thổ và sao Mộc cũng có thể ẩn chứa những kho tàng của riêng mình.

"Đó có thể là kim cương giống như ở Trái Đất, ngoại trừ một chút khác biệt về khối lượng riêng"– Delitsky nói – "Có lẽ về cơ bản chúng vẫn là những viên đá quý như chúng ta thường thấy". Nhưng giả thuyết này không chỉ đơn giản từ trên trời rơi xuống.

Các dạng thù hình của cacbon

Có lẽ bạn vẫn nhớ các kiến thức hóa học thời phổ thông, trong đó đề cập đến việc các nguyên tố có thể tồn tại ở nhiều trạng thái vật lý khác nhau, phụ thuộc vào áp suất và nhiệt độ. Chẳng hạn, nước sẽ bị đóng băng ở 0⁰C và bốc hơi ở 100⁰C, trong điều kiện áp suất bình thường.

Cacbon có nhiều dạng thù hình ở thể rắn hơn nước. Dưới điều kiện nhiệt độ và áp suất thấp, cacbon tồn tại ở dạng than chì, loại vật liệu mềm làm nên ruột chiếc bút chì của bạn. Để cacbon có thể trở thành kim cương cần điều kiện khắc nghiệt hơn rất nhiều. Khi đó kim cương, dù vẫn có cùng công thức hóa học như than chì, nhưng các nguyên tử cacbon bên trong nó được ràng buộc chặt chẽ với nhau.

Các nhà khoa học đã phát hiện sự tồn tại của cacbon trong khí metan được tìm thấy trong các bầu khí quyển của sao Thổ, sao Mộc, sao Hải Vương và sao Thiên Vương – nhất là ở hai hành tinh cuối cùng. (Một nguyên tử metan được cấu thành từ một nguyên tử cacbon ở giữa và bốn nguyên tử hydro bao xung quanh). Năm 1981, nhà khoa học Marvin Ross đã chỉ ra rằng, Thiên Vương tinh và Hải Vương tinh có chứa rất nhiều khí metan – loại hợp chất có thể chuyển thành cacbon đơn chất khi gặp nhiệt độ cao, mà cacbon lại có thể chuyển hóa thành kim cương dưới điều kiện nhiệt độ và áp suất thích hợp.

Gần đây, các thí nghiệm sử dụng sóng xung kích, mô phỏng điều kiện khắc nghiệt trên các hành tinh khác, đã cho ta thấy rõ sự khác biệt về nhiệt độ và áp suất giữa các dạng thù hình của cacbon. Delitsky and Baines đã kết hợp những hiểu biết mới nhất này với những kiến thức về nhiệt độ và áp suất bầu khí quyển của các hành tinh trên để đưa ra giả thuyết của mình.

Từ sấm sét tới kim cương

Nghiên cứu về các cơn bão của sao Thổ, Baines nhận thấy, có những lỗ hổng trong bầu khí quyển ở nơi mà các cơn bão từng đi qua. Mây ở đó có màu tối hơn những đám mây thông thường. Anh muốn tìm hiểu xem loại vật liệu nào có thể tạo nên hiện tượng này.

Chất phù hợp nhất chính là cacbon dưới dạng bồ hóng – loại bột màu đen thu được khi bạn đốt củi – có vẻ đó là hậu quả mà những tia sét để lại. Các nhà nghiên cứu đã công bố một báo cáo về vấn đề này vào năm 2009.

Nhưng điều gì sẽ xảy ra khi những hạt cacbon này chìm sâu vào bầu khí quyển của sao Thổ?

Nhà nghiên cứu Nadine Nettleman của Đại học California đã hoàn thiện một đồ thị biểu diễn mức độ thay đổi của nhiệt độ và áp suất theo độ cao ở sao Mộc, sao Thổ, sao Hải Vương và sao Thiên Vương. Sử dụng những dữ liệu này – hầu hết chưa được công bố - và đối chiếu với những dữ liệu mới nhất về điều kiện để hình thành kim cương, Delitsky and Baines xác nhận rằng kim cương có thể tồn tại trên sao Hải Vương và sao Thiên Vương, và nghĩ rằng nó cũng có thể được hình thành trên sao Mộc và sao Thổ.

Những hành tinh này chỉ toàn là khí, vì vậy tâm của chúng về cơ bản sẽ chứa đầy khí nóng cùng áp suất cao. Cacbon có lẽ sẽ được chuyển hóa thành bồ hóng ở tầng phía trên của bầu khí quyển, nhưng khi rơi xuống, nó có thể chuyển thành than chì dưới nhiệt độ khoảng 1727⁰C. Khi đến gần tới lõi của hành tinh, với nhiệt độ khoảng 2726⁰C, than chì có thể biến thành kim cương.

"Chúng ta không thể quan sát được vùng này từ vệ tinh vì nó quá sâu" – Delitsky nói.

Lõi của sao Mộc và sao Thổ có thể nung chảy kim cương, nhưng lõi của Thiên Vương tinh và Hải Vương tinh thì đủ nguội để giữ kim cương ở dạng rắn – dưới nhiệt độ khoảng 5727⁰C

Delitsky hình dung rằng, có thể có những viên kim cương "cỡ bàn tay" tồn tại trên những hành tinh này, mặc dù cô vẫn chưa hoàn thiện các phép tính của mình. Các nhà nghiên cứu cho biết, có thể có tới 10 tấn kim cương được tạo ra từ lớp bồ hóng của sao Thổ.

Nếu có kim cương thật, vậy thì làm thế nào để khai thác?

Các nhà khoa học không làm việc trong dự án này tỏ vẻ vừa thích thú vừa nghi ngờ tính đúng đắn của giả thuyết trên.

"Những dự án như thế này cho chúng ta thấy rằng, vẫn còn rất lâu ta mới có thể hiểu hết được về thành phần và cấu trúc của sao Mộc hay sao Thổ, hai hành tinh có khối lượng lớn gấp 300 và 100 lần Trái Đất và là những nhân tố quan trọng khi hệ Mặt Trời được hình thành"– theo nhà nghiên cứu Tristan Guillot của trung tâm Observatoire de la Cote d'Azur tại Pháp.

Nếu như có kim cương ở đó, nhiều khả năng chúng sẽ có thể đạt cỡ "tảng băng trôi" – Guillot nhận định. Bình thường, bất kỳ cấu trúc nào đạt kích cỡ đó sẽ trôi nhanh về tâm hành tinh, làm mòn lớp cacbon phía ngoài. Đó là những gì có thể xảy ra trong một bầu khí quyển nghèo cacbon – nhưng các nhà khoa học biết điều đó là không đúng trong trường hợp này.

Sẽ là hợp lý nếu cacbon dưới dạng kim cương có thể được cố định ở vùng tâm của sao Mộc và sao Thổ – theo Peter Read, giáo sư vật lý của trường Đại học Oxford. Nhưng ông không tin rằng, những viên kim cương như ở Trái Đất có thể được tìm thấy tại đó. Thay vì những khối đá quý, đó có thể là những đám mây kim cương đậm đặc – ông nói – nhưng chúng ta đơn giản là chưa thể biết được.

Và nếu như có tồn tại kim cương để khai thác, chúng cũng nằm ở những vùng sâu phía trong hành tinh và rất khó để đi tới – giáo sư Read nói. Nhiệt độ ở đó cao khủng khiếp, áp suất thì cao gấp hàng triệu lần so với áp suất bề mặt Trái Đất.

Điều này dẫn tới một câu hỏi giành cho những người thợ khai thác: Phải chế tạo một con robot như thế nào để có thể chịu được mức nhiệt độ và áp suất như vậy? (Delitsky  đề nghị làm robot bằng kim cương!) Và làm thế nào để nạp năng lượng cho phi thuyền?

"Có rất nhiều cách dễ dàng hơn (và rẻ hơn!) để khai thác kim cương thay vì một chiếc tàu ngầm cách nhiệt khổng lồ!"– giáo sư Read nhận xét.

Mặc dù NASA chưa đề xuất bất cứ dự án khai thác kim cương ngoài vũ trụ nào, nhưng chúng ta sẽ sớm biết liệu kim cương có tồn tại trên những hành tinh này hay không. Tàu thăm dò Juno sẽ tới sao Mộc vào năm 2016, còn tàu thăm dò Cassini sẽ lặn xuống sao Thổ vào năm 2017 để thu thập dữ liệu về trường trọng lực và từ trường của những hàng tinh này.

Những chiếc phi thuyền này sẽ không đủ khả năng đi tới khám hiểm vùng kim cương theo giả thuyết, nhưng ít nhất chúng cũng sẽ "đủ khả năng để kiểm tra xem liệu có dấu hiệu của sự thay đổi mật độ có thể xuất hiện gần những vùng mà kim cương hình thành hay không" – Guillot nói.

Các chuyến thám hiểm giàu tham vọng hơn trong tương lai có thể giúp chúng ta xác định được những giả thuyết trên là đúng hay sai. Còn bây giờ hãy thử nghĩ xem bạn sẽ làm gì với khối kim cương khổng lồ trên?

Anh Minh

Theo CNN