Khi dân số Trái Đất không ngừng tăng và áp lực lên tài nguyên môi trường ngày càng lớn, giới khoa học đang nghiêm túc xem xét khả năng con người thiết lập các khu định cư lâu dài ngoài Trái Đất. Sao Hỏa thường được coi là điểm đến tiềm năng nhất, nhưng điều kiện tại đây lại vô cùng khắc nghiệt.
Nhiệt độ thấp, áp suất khí quyển cực nhỏ và mức bức xạ cao khiến việc lựa chọn vật liệu xây dựng phù hợp trở thành bài toán nan giải. Trong bối cảnh đó, một nghiên cứu mới đang thu hút sự chú ý khi đề xuất băng, một vật liệu tưởng như mong manh, có thể trở thành nền tảng cho các công trình trên Sao Hỏa.
Nghiên cứu do Rafid Quayum, nghiên cứu sinh sau đại học tại Đại học Harvard, tham gia thực hiện đã đặt ra câu hỏi cốt lõi về tương lai của con người ngoài Trái Đất. Theo Quayum, mục tiêu của nhóm là tìm kiếm những giải pháp vừa bền vững, vừa lấy cảm hứng từ các hệ thống tự nhiên trên Trái Đất, nhằm duy trì sự sống trên các hành tinh khác. Trong số các phương án được xem xét, băng nổi lên như một ứng cử viên đầy tiềm năng.
Theo nhóm nghiên cứu, băng sở hữu sự kết hợp hiếm có của nhiều lợi ích quan trọng. Vật liệu này có khả năng hấp thụ bức xạ, cho phép ánh sáng nhìn thấy truyền qua và tạo ra hiệu ứng nhà kính thụ động bên trong các không gian khép kín. Nếu được khai thác và tinh chế trực tiếp từ Sao Hỏa, băng còn giúp giảm đáng kể chi phí và năng lượng vận chuyển vật liệu từ Trái Đất.
Trên thực tế, việc xây dựng bằng băng không phải là điều hoàn toàn xa lạ với loài người. Trong nhiều thế kỷ, con người ở các vùng lạnh giá đã sử dụng băng và tuyết để dựng nên những công trình tạm thời hoặc lâu dài.
Từ các túp lều tuyết igloo và quinzhee của người Inuit ở Greenland và Bắc Cực Canada cho đến các công trình Kamakura ở Nhật Bản, băng đã chứng minh khả năng giữ nhiệt, chắn gió và thích nghi với môi trường lạnh. Những kinh nghiệm này trở thành cơ sở để các nhà khoa học xem xét việc áp dụng vật liệu tương tự trong bối cảnh ngoài Trái Đất.
Tuy nhiên, việc tìm nguồn băng phù hợp trên Sao Hỏa không hề đơn giản. Armin Kleinboehl, nhà khoa học hành tinh tại Phòng thí nghiệm Sức đẩy Phản lực ở California, cho biết các cực của Sao Hỏa chứa nhiều băng nhưng lại có chu kỳ mùa khắc nghiệt, không thích hợp cho các khu định cư lâu dài.
Nếu xây dựng ở những khu vực này, con người sẽ buộc phải rời đi trước khi mùa đông vùng cực bắt đầu. Vì vậy, các kế hoạch nhiệm vụ thường tập trung vào các vĩ độ trung bình phía bắc, nơi có lớp băng ngầm nông hơn và dễ tiếp cận hơn, đồng thời nhận được nhiều ánh sáng Mặt Trời.
Một lợi thế lớn của các mái vòm băng so với những nơi trú ẩn làm từ lớp đất bề mặt của Sao Hỏa là khả năng cho ánh sáng tự nhiên xuyên qua. Điều này không chỉ có ý nghĩa đối với việc trồng trọt mà còn giúp cải thiện sức khỏe tâm lý của con người trong môi trường sống khép kín và cô lập.
Ngay cả khi băng trên bề mặt Sao Hỏa khó khai thác ở một số khu vực, nhóm nghiên cứu cũng lưu ý rằng tài nguyên này lại rất dồi dào trên các thiên thể băng giá khác như Ceres hay Callisto, mở ra khả năng khai thác liên hành tinh trong tương lai.
Để đánh giá tính khả thi của ý tưởng, nhóm của Quayum đã xây dựng các mô hình mái vòm băng giả định đặt tại vĩ độ trung bình của Sao Hỏa. Tại những khu vực này, nhiệt độ ban ngày dao động từ âm 56 đến âm 37 độ C, đủ thấp để băng không bị tan chảy theo mô phỏng. Tuy nhiên, nhiệt độ chỉ là một phần của thách thức. Áp suất khí quyển trên Sao Hỏa chỉ bằng chưa đến 1 phần trăm so với Trái Đất, khiến nước lỏng không thể tồn tại ổn định.
Để giải quyết vấn đề này, nhóm nghiên cứu đề xuất sử dụng phương pháp chưng cất chân không nhằm tinh chế băng tại chỗ. Theo đó, băng được làm nóng sẽ bốc hơi trực tiếp thay vì tan chảy. Hơi nước sau đó được thu lại, nén dưới áp suất cao để ngưng tụ thành chất lỏng, loại bỏ tạp chất rồi đông lạnh trở lại thành băng trong suốt. Quá trình này cho phép tạo ra lớp vỏ băng vừa truyền ánh sáng Mặt Trời vừa đóng vai trò như một tấm chắn bức xạ.
Trong các mô hình, mái vòm băng được gia cố bằng các lớp bịt kín kỵ nước nhằm ngăn nước tan chảy từ bên trong thấm vào lớp vỏ, tránh làm suy yếu kết cấu. Một lớp cách nhiệt bằng aerogel giúp làm chậm quá trình truyền nhiệt, giữ cho lớp băng bên ngoài luôn dưới điểm nóng chảy. Bên trong mái vòm, ánh sáng Mặt Trời làm ấm không khí và tạo ra sự đối lưu, giúp phân bố nhiệt tương đối đồng đều.
Theo Robin Wordsworth, nhà khoa học hành tinh tại Đại học Harvard và là thành viên nhóm nghiên cứu, các mô hình nhiệt và mô phỏng cấu trúc ba chiều cho thấy mái vòm băng có thể duy trì sự ổn định trong điều kiện nhiệt độ trung bình của Sao Hỏa, khoảng âm 58 độ C. Những kết quả này dự kiến được trình bày tại Hội nghị thường niên AGU 2025 diễn ra ở New Orleans vào ngày 16 tháng 12.
Dù mang lại nhiều hứa hẹn, nhóm nghiên cứu nhấn mạnh rằng vẫn cần thêm rất nhiều công việc trước khi ý tưởng này có thể trở thành hiện thực. Sao Hỏa có các biến đổi theo mùa tương tự Trái Đất, yếu tố có thể ảnh hưởng đến độ bền lâu dài của các công trình bằng băng. Đây là khía cạnh mà nhóm mong muốn tiếp tục nghiên cứu trong thời gian tới.
Để đưa khái niệm khu định cư băng vượt ra khỏi phạm vi lý thuyết, các nhà khoa học đặt mục tiêu tiến hành thử nghiệm thực địa trong những môi trường khắc nghiệt trên Trái Đất, nơi có điều kiện tương đồng với Sao Hỏa. Các khu vực như Nam Cực với nhiệt độ dưới 0 độ C hoặc những vùng áp suất thấp như dãy Himalaya được xem là địa điểm phù hợp cho các thử nghiệm ban đầu. Nếu thành công, các cấu trúc này có thể được đánh giá trực tiếp về khả năng sinh sống và độ bền.
Theo Quayum, viễn cảnh các nhà khoa học có thể đến những môi trường hành tinh khác, tiến hành nghiên cứu thực địa và thậm chí sinh sống trong các công trình làm từ băng là điều đầy hấp dẫn. Dù con đường từ mô hình đến hiện thực còn dài, nghiên cứu này đã mở ra một hướng tiếp cận mới cho giấc mơ định cư ngoài Trái Đất của nhân loại.
Đức Khương
