Bụi Mặt Trăng đang nhanh chóng trở thành một vật liệu kỳ diệu, từ đó có thể chiết xuất oxy và các nguyên tố khác như titan, có thể được nén chặt để tạo thành gạch xây dựng nơi trú ẩn trên Mặt Trăng hoặc "bê tông Mặt Trăng" để kết dính những viên gạch đó. Và giờ đây, các nhà khoa học đã chỉ ra cách biến regolith Mặt Trăng thành pin mặt trời.
"Từ việc chiết xuất nước làm nhiên liệu đến xây nhà bằng gạch Mặt Trăng, các nhà khoa học đã tìm ra cách sử dụng bụi Mặt Trăng", Felix Lang, thuộc Đại học Potsdam ở Đức, cho biết trong tuyên bố. "Bây giờ, chúng ta cũng có thể biến nó thành các tấm pin mặt trời, có khả năng cung cấp năng lượng mà một thành phố mặt trăng trong tương lai sẽ cần."
Các tấm pin mặt trời truyền thống kết hợp thủy tinh do Trái Đất sản xuất, có thể tương đối nặng, làm tăng chi phí phóng. Do đó, sản xuất pin mặt trời trên mặt trăng từ các vật liệu tại địa phương là một đề xuất hấp dẫn.
Để thử nghiệm ý tưởng này, Lang đã dẫn đầu một nhóm thử nghiệm với chất mô phỏng bụi mặt trăng. Các mẫu vật liệu từ mặt trăng rất khan hiếm và quý giá đối với các nhà khoa học. Do đó, có một ngành công nghiệp gia đình, do Phòng thí nghiệm phát triển chất mô phỏng của NASA dẫn đầu, tạo ra các loại regolith mặt trăng mô phỏng khác nhau. (Regolith là thuật ngữ kỹ thuật chỉ vật liệu nằm trên bề mặt Mặt Trăng, bao gồm bụi và các mảnh vỡ của vật chất phóng ra từ vụ va chạm).
Liên quan: Trung Quốc có kế hoạch xây dựng căn cứ Mặt Trăng tại cực Nam Mặt Trăng vào năm 2035
Nhóm của Lang đã nấu chảy một số regolith mô phỏng này để tạo thành "thủy tinh mặt trăng". Đây là một quá trình đơn giản, không yêu cầu bất kỳ quá trình tinh chế khó khăn nào và có thể đạt được chỉ bằng cách tập trung ánh sáng mặt trời chiếu vào Mặt Trăng để đạt được nhiệt độ cao.
Sau đó, thủy tinh mặt trăng được kết hợp với perovskite, đây là vật liệu tinh thể thường được sử dụng trong các tế bào năng lượng mặt trời có chức năng hấp thụ ánh sáng mặt trời, kích thích electron trong cấu trúc nguyên tử của chúng. Sau đó, một điện cực sẽ thu hút các electron bị kích thích này và tạo ra dòng điện.
Một nhóm các nhà khoa học từ Blue Origin, công ty hàng không vũ trụ của Jeff Bezos, trước đây đã đề xuất một cách tương tự để xây dựng các tế bào năng lượng mặt trời trên mặt trăng.
Moonglass có một số ưu điểm so với kính thông thường được sản xuất từ vật liệu trên mặt đất. Trong không gian, kính thông thường có xu hướng chuyển sang màu nâu, bắt đầu chặn một số ánh sáng mặt trời chiếu tới, làm giảm hiệu suất của tế bào năng lượng mặt trời. Moonglass đã có màu nâu tự nhiên do tạp chất trong đất đá, và điều này thực sự ngăn không cho nó chuyển sang màu nâu thêm nữa. Nó cũng có khả năng chống bức xạ tốt hơn, đây là một cân nhắc quan trọng trong không gian khi có tia vũ trụ bay sang trái, phải và trung tâm.
Điểm yếu của các tế bào quang điện dựa trên kính mặt trăng là hiệu suất của chúng. Các tế bào quang điện truyền thống được sử dụng trong không gian có hiệu suất — tức là tỷ lệ phần trăm ánh sáng mặt trời chiếu tới mà chúng chuyển đổi thành điện — trong khoảng từ 30% đến 40%. Các tế bào quang điện dựa trên kính mặt trăng hiện chỉ có hiệu suất 10%, nhưng nhóm của Lang cho rằng họ có thể tăng hiệu suất lên tới 23% bằng cách loại bỏ một số tạp chất trong kính mặt trăng.
Tuy nhiên, ngay cả khi họ không thể, thì hiệu suất thấp hơn không nhất thiết là vấn đề. Lang cho biết: "Bạn không cần các tế bào quang điện hiệu suất cực cao 30%; bạn chỉ cần sản xuất nhiều hơn trên mặt trăng". Thêm vào đó, việc sản xuất các tế bào quang điện trên mặt trăng cũng có những lợi ích; làm như vậy sẽ giảm khối lượng phóng và chi phí từ Trái đất, tiết kiệm 99% trọng lượng vận chuyển vật liệu.
Liên quan: NASA có thể xây dựng nhiều hơn một căn cứ mặt trăng cho các sứ mệnh Artemis trên mặt trăng
CÂU CHUYỆN LIÊN QUAN:
— Để hạ cánh an toàn trên sao Hỏa và mặt trăng, chúng ta có thể cần đo bụi
— Lá chắn bụi mặt trăng có thể giúp chống lại biến đổi khí hậu trên Trái đất
— Blue Origin chế tạo pin mặt trời từ bụi mặt trăng mô phỏng với dự án 'nhà giả kim'
Vẫn còn những câu hỏi chưa có lời giải đáp. Sản xuất pin mặt trời từ chất mô phỏng bụi mặt trăng trong trọng lực bình thường của Trái đất là một chuyện; chế tạo chúng trong trọng lực thấp lại là chuyện khác, và có thể trọng lực thấp ảnh hưởng đến cách hình thành kính mặt trăng. Các dung môi được sử dụng để xử lý perovskite cũng có thể bị phân hủy khi tiếp xúc với điều kiện chân không, trong khi sự thay đổi nhiệt độ lớn giữa ngày và đêm trên Mặt Trăng có thể ảnh hưởng đến độ ổn định của pin mặt trời khi vật liệu giãn nở và co lại.
Để cố gắng trả lời một số điều không chắc chắn này, nhóm của Lang lập luận cho một nhiệm vụ quy mô nhỏ lên Mặt Trăng để thử nghiệm pin mặt trời trong điều kiện thực tế của Mặt Trăng. Phần thưởng, nếu thành công, có thể rất lớn, cung cấp điện cho các căn cứ trên Mặt Trăng và khiến việc định cư lâu dài trên Mặt Trăng trở nên khả thi hơn. Một căn cứ như vậy có thể được đặt tại cực Nam của Mặt Trăng, nơi có nhiều nước đá ẩn bên trong các miệng núi lửa luôn bị che khuất và từ đó mặt trời luôn có thể nhìn thấy, tránh được những đêm dài hai tuần ở những nơi khác trên Mặt Trăng làm ngắn lại bất kỳ nhiệm vụ nào sử dụng năng lượng mặt trời.
Nghiên cứu này được mô tả trong một bài báo được công bố trên tạp chí Device ngày hôm nay (ngày 3 tháng 4).
"Từ việc chiết xuất nước làm nhiên liệu đến xây nhà bằng gạch Mặt Trăng, các nhà khoa học đã tìm ra cách sử dụng bụi Mặt Trăng", Felix Lang, thuộc Đại học Potsdam ở Đức, cho biết trong tuyên bố. "Bây giờ, chúng ta cũng có thể biến nó thành các tấm pin mặt trời, có khả năng cung cấp năng lượng mà một thành phố mặt trăng trong tương lai sẽ cần."
Các tấm pin mặt trời truyền thống kết hợp thủy tinh do Trái Đất sản xuất, có thể tương đối nặng, làm tăng chi phí phóng. Do đó, sản xuất pin mặt trời trên mặt trăng từ các vật liệu tại địa phương là một đề xuất hấp dẫn.
Để thử nghiệm ý tưởng này, Lang đã dẫn đầu một nhóm thử nghiệm với chất mô phỏng bụi mặt trăng. Các mẫu vật liệu từ mặt trăng rất khan hiếm và quý giá đối với các nhà khoa học. Do đó, có một ngành công nghiệp gia đình, do Phòng thí nghiệm phát triển chất mô phỏng của NASA dẫn đầu, tạo ra các loại regolith mặt trăng mô phỏng khác nhau. (Regolith là thuật ngữ kỹ thuật chỉ vật liệu nằm trên bề mặt Mặt Trăng, bao gồm bụi và các mảnh vỡ của vật chất phóng ra từ vụ va chạm).
Liên quan: Trung Quốc có kế hoạch xây dựng căn cứ Mặt Trăng tại cực Nam Mặt Trăng vào năm 2035
Nhóm của Lang đã nấu chảy một số regolith mô phỏng này để tạo thành "thủy tinh mặt trăng". Đây là một quá trình đơn giản, không yêu cầu bất kỳ quá trình tinh chế khó khăn nào và có thể đạt được chỉ bằng cách tập trung ánh sáng mặt trời chiếu vào Mặt Trăng để đạt được nhiệt độ cao.
Sau đó, thủy tinh mặt trăng được kết hợp với perovskite, đây là vật liệu tinh thể thường được sử dụng trong các tế bào năng lượng mặt trời có chức năng hấp thụ ánh sáng mặt trời, kích thích electron trong cấu trúc nguyên tử của chúng. Sau đó, một điện cực sẽ thu hút các electron bị kích thích này và tạo ra dòng điện.
Một nhóm các nhà khoa học từ Blue Origin, công ty hàng không vũ trụ của Jeff Bezos, trước đây đã đề xuất một cách tương tự để xây dựng các tế bào năng lượng mặt trời trên mặt trăng.
Moonglass có một số ưu điểm so với kính thông thường được sản xuất từ vật liệu trên mặt đất. Trong không gian, kính thông thường có xu hướng chuyển sang màu nâu, bắt đầu chặn một số ánh sáng mặt trời chiếu tới, làm giảm hiệu suất của tế bào năng lượng mặt trời. Moonglass đã có màu nâu tự nhiên do tạp chất trong đất đá, và điều này thực sự ngăn không cho nó chuyển sang màu nâu thêm nữa. Nó cũng có khả năng chống bức xạ tốt hơn, đây là một cân nhắc quan trọng trong không gian khi có tia vũ trụ bay sang trái, phải và trung tâm.
Điểm yếu của các tế bào quang điện dựa trên kính mặt trăng là hiệu suất của chúng. Các tế bào quang điện truyền thống được sử dụng trong không gian có hiệu suất — tức là tỷ lệ phần trăm ánh sáng mặt trời chiếu tới mà chúng chuyển đổi thành điện — trong khoảng từ 30% đến 40%. Các tế bào quang điện dựa trên kính mặt trăng hiện chỉ có hiệu suất 10%, nhưng nhóm của Lang cho rằng họ có thể tăng hiệu suất lên tới 23% bằng cách loại bỏ một số tạp chất trong kính mặt trăng.
Tuy nhiên, ngay cả khi họ không thể, thì hiệu suất thấp hơn không nhất thiết là vấn đề. Lang cho biết: "Bạn không cần các tế bào quang điện hiệu suất cực cao 30%; bạn chỉ cần sản xuất nhiều hơn trên mặt trăng". Thêm vào đó, việc sản xuất các tế bào quang điện trên mặt trăng cũng có những lợi ích; làm như vậy sẽ giảm khối lượng phóng và chi phí từ Trái đất, tiết kiệm 99% trọng lượng vận chuyển vật liệu.
Liên quan: NASA có thể xây dựng nhiều hơn một căn cứ mặt trăng cho các sứ mệnh Artemis trên mặt trăng
CÂU CHUYỆN LIÊN QUAN:
— Để hạ cánh an toàn trên sao Hỏa và mặt trăng, chúng ta có thể cần đo bụi
— Lá chắn bụi mặt trăng có thể giúp chống lại biến đổi khí hậu trên Trái đất
— Blue Origin chế tạo pin mặt trời từ bụi mặt trăng mô phỏng với dự án 'nhà giả kim'
Vẫn còn những câu hỏi chưa có lời giải đáp. Sản xuất pin mặt trời từ chất mô phỏng bụi mặt trăng trong trọng lực bình thường của Trái đất là một chuyện; chế tạo chúng trong trọng lực thấp lại là chuyện khác, và có thể trọng lực thấp ảnh hưởng đến cách hình thành kính mặt trăng. Các dung môi được sử dụng để xử lý perovskite cũng có thể bị phân hủy khi tiếp xúc với điều kiện chân không, trong khi sự thay đổi nhiệt độ lớn giữa ngày và đêm trên Mặt Trăng có thể ảnh hưởng đến độ ổn định của pin mặt trời khi vật liệu giãn nở và co lại.
Để cố gắng trả lời một số điều không chắc chắn này, nhóm của Lang lập luận cho một nhiệm vụ quy mô nhỏ lên Mặt Trăng để thử nghiệm pin mặt trời trong điều kiện thực tế của Mặt Trăng. Phần thưởng, nếu thành công, có thể rất lớn, cung cấp điện cho các căn cứ trên Mặt Trăng và khiến việc định cư lâu dài trên Mặt Trăng trở nên khả thi hơn. Một căn cứ như vậy có thể được đặt tại cực Nam của Mặt Trăng, nơi có nhiều nước đá ẩn bên trong các miệng núi lửa luôn bị che khuất và từ đó mặt trời luôn có thể nhìn thấy, tránh được những đêm dài hai tuần ở những nơi khác trên Mặt Trăng làm ngắn lại bất kỳ nhiệm vụ nào sử dụng năng lượng mặt trời.
Nghiên cứu này được mô tả trong một bài báo được công bố trên tạp chí Device ngày hôm nay (ngày 3 tháng 4).
