Helium-3

Helium-3.

Khi dầu mỏ cạn kiệt, nhân loại sẽ ra sao? Câu trả lời đã có: Helium-3. Chỉ cần 200 tấn Helium-3 đủ năng lượng cho thế giới dùng trong 1 năm. Tuy nhiên, muốn khai thác Helium-3, chỉ có thể lên mặt trăng và cuộc đua giữa các cường quốc đang bắt đầu.

Helium-3 mà trái đất chúng ta có được (khoảng vài trăm kg với giá bán khoảng 1.000 USD cho một gam) là do gió mặt trời mang tới sau khi “chiến thắng” được lực cản của từ trường trái đất. Hàng năm, Mặt trăng thu nhận khoảng 1 triệu tấn Helium-3 từ gió mặt trời và chúng nằm dưới dạng các hạt băng nhỏ rải đều trên bề mặt của khu vực có tên gọi “Biển mặt trăng”. Hàm lượng quặng tại đây cao gấp 5 lần so với các loại quặng có chứa nguyên tố này tìm thấy trên Mặt đất.

Mặt trăng: Nguồn cung Helium-3

Theo tính toán, để cung cấp một cách “dư thừa” nguồn năng lượng cho thế giới cho tới năm 2050, mỗi năm chỉ cần khai thác tại Mặt trăng ít nhất 800-1000 tấn Helium-3. Như vậy, với trữ lượng khoảng 500 triệu tấn heli “tựcó”, chị Hằng có thể đáp ứng nhu cầu “ngốn” năng lượng với tốc độ chóng mặt của thế giới trên 15.000 năm.

Để “biến” Helium-3 ở Mặt trăng thành điện năng dùng cho nhu cầu trên trái đất cần phải thực hiện 3 khâu công nghệ then chốt.

Mô hình lập căn cứ để khai thác tài nguyên trên mặt trăng

Thứ nhất: Chế tạo lò phản ứng nhiệt hạch để tạo ra heli 4 cùng với sản phẩm cuối cùng là điện năng. Hiện nay, con người đang chế tạo một lò phản ứng ở quy mô thí nghiệm. Đó là lò mang tên tên “Lò phản ứng nhiệt hạch thí nghiệm quốc tế”(ITER) được khởi công tại Cadarache, Pháp.

Thứ hai: Phương tiện vận chuyển nguyên liệu từ mặt trăng về trái đất. Dĩ nhiên phải xử dụng tàu con thoi có sức chở lớn. Cho tới nay, chỉ có Mỹ là quốc gia duy nhất sản xuất và vận hành thành công hàng loạt phi thuyền không gian. Hiện mọi nỗ lực của NASA cũng như các tập đoàn tư nhân khác dưới sự khuyến khích của chính phủ đang lao vào nghiên cứu, thiết kế, thử nghiệm các thế hệ phi thuyền mới với mục đích du lịch vũ trụ. Còn Nga cũng đang chạy đua nghiên cứu thiết bị vận chuyển mới.

Thứ ba: Công nghiệp vũ trụ trên Mặt trăng. Để có được một tấn Helium-3, cần phải xử dụng 100 triệu tấn đất mặt trăng trên một khu vực khai thác có diện tích bề mặt 20 km vuông với độ sâu 3 m. Quặng sau khi được khai thác sẽ bị đun nóng tới một nhiệt độ 700 độ C, sau đó được hóa lỏng để tách ra các đồng vị mong muốn. Công nghệ tách chiết heli khá đơn giản nhờ sử dụng các lò năng lượng mặt trời có trang bị các gương lõm lớn nhằm tập trung ánh sáng mặt trời và hội tụ chúng vào một điểm - “lò luyện quặng”.

He-3 là một đồng vị của heli. He-3 ít có trong môi trường tự nhiên của trái đất nhưng lại có nhiều trên mặt trăng. Trên lý thuyết, He-3 là nhiên liệu lý tưởng cho các lò phản ứng nhiệt hạch, tạo ra nguồn năng lượng sạch gần như vô tận. Trên trái đất chỉ có khoảng 10 tấn khí Helium-3, nhưng trên mặt trăng có khoảng 1 triệu tấn khí Helium-3. Để đáp ứng nhu cầu năng lượng của Trung Quốc thì chỉ cần 8 tấn khí Helium-3, tương đương với 220 triệu tấn dầu hoặc khoảng 1 tỷ tấn than.

Chỉ có biến Mặt trăng thành một tổ hợp công nghiệp mới làm cho giá sản phẩm có tính cạnh tranh tối ưu. Việc xây dựng Mặt trăng thành tổ hợp công nghiệp vũ trụ khiến cho nguyên liệu Helium-3 chỉ chiếm 1% trong toàn bộ giá thành điện năng của nhà máy điện nguyên tử trên mặt đất.

Cuộc đua giữa các cường quốc

Mỹ đang có rất nhiều dự án về việc khai thác Helium-3 trên mặt trăng. Trong số đó, dự án “Mark-III” là nổi trội nhất. Dự án này do cựu phi hành gia Harrison Schmitt - người đã đổ bộ lên mặt trăng vào năm 1972 bằng tàu “Apollo 17” đưa ra. Với chi phí khoảng 15 tỷ USD, dự án đề ra nhiệm vụ khai thác Helium-3 để vận hành nhà máy điện hạt nhân công xuất 5 GW trong tương lai gần. Trong khi đó, một số thông tin từ Nga cũng tiết lộ: Công ty không gian RKK Energiya có kế hoạch khai thác Helium-3 trên mặt trăng vào năm 2020.

Viện sỹ Nga Valentin Smirnov- Giám đốc của Viện Nghiên cứu hạt nhân Nga, Chủ tịch Hội đồng Khoa học của Trung tâm nguyên tử năng Kurchatov tuyên bố: Nếu năng lượng Helium bắt đầu được xử dụng đại trà để sản xuất điện năng thì nó không chỉ làm thay đổi bản đồ năng lượng của thế giới, mà còn thay đổi vị trí xếp hạng các cường quốc trên thế giới”.

Còn theo Giám đốc Viện Địa hóa và hóa học phân tích (Hoa Kỳ)-GS Erik Galimov- “Cuộc cánh mạng khoa học này (khai thác Helium-3 trên mặt trăng) sẽ thay đổi mãi mãi nền văn minh của nhân loại. Một đất nước vượt mặt các quốc gia khác trong cuộc chạy đua khai thác tổ hợp công nghệ trên mặt trăng sẽ trở thành nhà vô địch không có đối thủ trên mặt đất. Đây sẽ là nhà lãnh đạo toàn cầu duy nhất trong tương lai”.

Mỹ, Nga, Trung Quốc, châu Âu và Ấn Độ là những thành viên tích cực nhất trong cuộc chạy đua đưa robot lên mặt trăng và lập cơ sở trên đó nhằm tiếp cận nguồn He-3 khổng lồ. Trong bối cảnh đó, vấn đề pháp lý lại được đặt ra: Liệu các cường quốc có được quyền khai thác mặt trăng theo ý muốn không?

Đua nhau thiết lập căn cứ trên mặt trăng để làm gì?

Cuộc đua hối hả

Với tiềm năng khai thác nguồn nhiên liệu vô tận, NASA đang gấp rút nghiên cứu thiết lập một tiền đồn gần mặt trăng để làm cửa ngõ cho các sứ mệnh khám phá nhiều thiên thể, gồm mặt trăng, các thiên thạch, các mặt trăng của sao Hỏa và sao Hỏa.

Theo biên bản hôm 3/2/2012 từ William Gerstenmaier, phó giám đốc NASA về các hành trình khám phá và sứ mệnh của con người, một nhóm chuyên gia NASA đang vạch kế hoạch tìm ra một điểm trên vũ trụ gọi là điểm dao động trên mặt trăng của trái đất (EML-2). Những điểm dao động còn gọi là các điểm Lagrangian - những vị trí trên vụ trụ màở đó các lực kéo trọng lực cân bằng với nhau, giúp cho tàu vũ trụ về cơ bản có thể đỗ tại đó.

Không chỉ các chính phủ, khu vực tư nhân với tiềm năng tài chính khổng lồ có lẽ cũng không bỏ qua nguồn tài nguyên quan trọng trên mặt trăng. Gần đây, một số tỷ phú nổi tiếng thành lập công ty Planetary Resources với kế hoạch đưa phi thuyền robot đi khai thác các tài nguyên trên hành tinh để mang về trái đất. Các nhà sáng lập, trong đó có đạo diễn phim/nhà thám hiểm James Cameron, người đồng sáng lập Google Larry Page và cựu chuyên gia của Microsoft gồm Eric Schmidt, Ross Perot Jr. và Charles Simonyi, không nói rõ họ sẽ khai thác những gì trong vũ trụ, chỉ thông báo chung chung rằng sẽ thực hiện những dự án mạo hiểm nhằm kết hợp “thám hiểm không gian và khai thác tài nguyên” để tạo thêm hàng nghìn tỷ USD.

Trong khi đó, theo Fox News, ông Vladimir Popovkin, giám đốc cơ quan hàng không vũ trụ Nga Roscosmos, cách đây không lâu nói rằng, Nga có kế hoạch đưa người trở lại mặt trăng vào năm 2020. “Con người nên trở lại mặt trăng. Và khác với năm 1969, chỉ để tạo dấu ấn; chúng tôi có thể làm những việc quan trọng trên đó – như xây các phòng thí nghiệm nghiên cứu các hành tinh và quan sát mặt trời,” ông Popovkin nói.

Ông Popovkin gần đây cho biết Nga có thể sẽ hợp tác với NASA và Cơ quan vũ trụ châu Âu và tham gia vào Mạng lưới mặt trăng quốc tế (ILN). Đây là mạng lưới được Mỹ và một số nước có hoạt động khám phá mặt trăng đề xuất xây dựng hàng loạt trạm trên mặt trăng, mỗi trạm sẽ đóng vai trò là một điểm nút, cùng hoạt động để tạo nên mạng lưới địa vật lý trên mặt trăng nhằm thực hiện nhiều hoạt động thí nghiệm khoa học.Trung Quốc cũng đang gấp rút chuẩn bị để đưa thiết bị khám phá có người lái lên mặt trăng vào khoảng năm 2017, ông Ouyang Ziyuan cho biết trong một bài phỏng vấn với báo Southern Metropolis News. Sứ mệnh này sẽ sử dụng tàu vũ trụ Hằng Nga-3 với thiết bị tự hành trên mặt trăng được đưa lên bởi robot không người lái. Theo ông Ouyang, một trong những mục tiêu chính của sứ mệnh là để “cung cấp cho loài người báo cáo đáng tin cậy nhất về He-3”. Ai đủ sức ngăn họ?

Sự quan tâm ngày càng lớn của các nước đối với nguồn tài nguyên He-3 trên mặt trăng làm nảy sinh nhiều vấn đề liên quan tới quyền khai thác không gian. Cho tới nay, chưa có văn bản đồng thuận quốc tế nào quy định rõ các quốc gia hay thực thể cá nhân nào được quyền hay có thể sử dụng cách nào để khai thác hoặc tuyên bố chủ quyền đối với các tài nguyên trên mặt trăng hay không?

Hiệp định không gian 1967 của Liên hợp quốc, hiện đang có hiệu lực đối với 100 quốc gia, không quy định cụ thể vấn đề này, dẫn tới nhiều cách lý giải khác nhau. Hiệp định mặt trăng (Moon Agreement) năm 1979 do Liên hợp quốc bảo trợ đã thiết lập nền tảng hay cơ chế cho việc khai thác các tài nguyên trên mặt trăng. Nhưng trên thực tế, đây là một hiệp định thất bại vì nó chưa được phê chuẩn bởi bất kỳ quốc gia nào tham gia khám phá không gian hoặc có kế hoạch tham gia.

Tính đến tháng 12/2008, chỉ có 13 nước, bao gồm Australia, Áo, Bỉ, Chile, Kazakhstan, Libang, Mexico, Morocco, Hà Lan, Pakistan, Peru, Philippine, và Uruguay. Pháp, Guatemala, Ấn Độ và Romania đã ký, nhưng chưa phê chuẩn. Đến tháng 3/2012 thì có thêm Thổ Nhĩ Kỳ tham gia. Vì bản hiệp định chưađược bất kỳ cường quốc không gian nào phê chuẩn (bao gồm cả Ấn Độ) và hầu hết các cường quốc không gian cũng chưa ký (trừ Ấn Độ), nên văn bản này không có tác động gì đối với hoạt động không gian hiện nay.

Do đó, hiện nay không có rào cản pháp lý nào ngăn chặn Mỹ hay Trung Quốc khai thác tài nguyên trên mặt trăng. Hơn nữa, như thực tế đã cho thấy, không có quốc gia nào trong tương lai gần có đủ khả năng để ngăn cản Mỹ thiết lập căn cứ trên mặt trăng hay tiến hành các hoạt động khai thác như họ muốn. Vì thế, Mỹ có lẽ sẽ theo đuổi chương trình năng lượng nhiệt hạch dùng He-3 mà không cần cộng đồng quốc tế chấp nhận. Nếu làm như vậy, Mỹ có thể tự lập ra thể chế pháp lý riêng, phù hợp với chính nhu cầu và nguyên tắc của họ, thay vì đạt được sự đồng thuận của các nước khác.

Tuy nhiên, ngay cả khi Mỹ có thể “tự tung tự tác” thì cũng có vài lý do để họ không muốn làm như vậy. Thứ nhất, chính phủ Mỹ hay bất kỳ doanh nghiệp tư nhân nào ở Mỹ không muốn liều lĩnh đầu tư vào sứ mệnh lâu dài và tốn kém để phát triển năng lượng nhiệt hạch dùng He-3 trong khi không có sự bảo đảm nào rằng những khó khăn kỹ thuật trong việc phát triển công nghệ năng lượng này cũng như căn cứ trên mặt trăng chắc chắn sẽ sớm được khắc phục mà không vấp phải rào cản chính trị hay pháp lý đáng kể nào. Dù có lý giải luật quốc tế hiện nay theo cách nào đi nữa, thì các quốc gia và cộng đồng trên trái đất cũng sẽ không ngồi yên để nhìn Mỹ “nuốt trọn” nguồn tài nguyên He-3 trên mặt trăng.

Cuối cùng, nếu các nước khác cũng tham gia vào các hoạt động khai thác mặt trăng, thì mỗi nước trong số họ đều có quyền lợi trong việc hợp tác để giải quyết các vấn đề chung và kiềm chế lẫn nhau.

Một số nước như Mỹ muốn có được công nghệ năng lượng nhiệt hạch dùng He-3 trong tương lai khá gần, có lẽ là khoảng nửa thế kỷ tới, nên các bước cần thiết để lập ra khung pháp lý quy định vấn đề này nên được thực hiện càng sớm càng tốt.

Các nước mạnh khác, như Trung Quốc, Liên minh châu Âu, Ấn Độ,Nhật Bản và Nga, có khả năng tham gia hoạt động khai thác tài nguyên trên mặt trăng, cũng có thể mong muốn chia sẻ lợi ích với Mỹ theo một chế độ tiếp cận cởi mở hơn và dựa trên cơ chế thị trường.

Trong vài năm gần đây, Mỹ, Nga, Trung Quốc và Ấn Độ đua nhau công bố kế hoạch thiết lập căn cứtrên mặt trăng. Lý do quan trọng là để khai thác và mang khí helium-3 (He-3) vềtrái đất nhằm thỏa mãn nhu cầu năng lượng của con người mà không cần than, dầu, khí và năng lượng hạt nhân.

He-3 là nhiên liệu lý tưởng cho các lò phản ứng nhiệt hạch, tạo ra nguồn năng lượng sạch gần nhưvô tận.

Cuộc đua khai thác... Helium.

“Chấp” tất cả than, dầu khí, năng lượng hạt nhân

40 tấn He-3 hóa lỏng mang từ mặt trăng chỉ chiếm thể tích của hai tàu con thoi Mỹ hiện nay, nhưng có thể đủ cho các lò phản ứng nhiệt hạch chạy bằng He-3 hoạt động để đáp ứng toàn bộ nhu cầu sử dụng điện của nước Mỹ - tương đương ¼ tổng nhu cầu sử dụng điện của thế giới, trong suốt một năm. Dù trình độ công nghệ và khả năng kinh tế để đưa điện nhiệt hạch dùng He-3 hiện nay vẫn chưa hoàn thiện, nhưng cũng chỉ mất vài thập kỷ nữa thì các cường quốc sẽ có trong tay công nghệ đó.

Năng lượng nhiệt hạch có thể giúp thế giới không còn phụ thuộc nặng nề vào nhiên liệu hóa thạch –nguyên nhân gây ô nhiễm môi trường, phát thải khí gây hiệu ứng nhà kính và khí hậu ấm lên, chưa kể giá cả ngày càng cao và căng thẳng kinh tế, địa chính trị xung quanh nguồn nhiên liệu này. He-3 cũng giúp con người bỏ qua nguồn điện hạt nhân đang gây lo ngại về nguy cơ phát triển vũ khí hạt nhân và rác thải phóng xạ.

Theo tạp chí Luật quốc tế Fordham (Mỹ), ước tính nguồn khí He-3 trên mặt trăng đủ để đáp ứng nhu cầu năng lượng ngày càng tăng của con người trong nhiều năm tới. Do đó, dù công nghệ năng lượng nhiệt hạch sử dụng He-3 vẫn đang trong giai đoạn nghiên cứu, nhưng nhiều nước như Mỹ đang bắt đầu khẳng định vị trí của họ để bảo đảm họ không bị mất phần khai thác nguồn tài nguyên He-3 dồi dào trên mặt trăng.

Theo bài báo xuất bản ngày 14/1/2010 trên Tân Hoa Xã, ông Ouyang Ziyuan, nhà khoa học chỉ huy của Dựán tàu thăm dò mặt trăng của Trung Quốc, cho biết Dự án thăm dò mặt trăng của nước này đã khám phá ra có khoảng 1 triệu tấn khí He-3 trên bề mặt của chị Hằng. Lượng khí này có thể đáp ứng nhu cầu năng lượng của con n gas có thể khai thác trên trái đất. Về mặt lý thuyết, khối He-3 đó gấp 10 lần năng lượng của tất cả than, dầu, khí gas có thể khai thác trên trái đất.

He-3 là khí phi phóng xạ, không độc và không trơ. Chính phủ Mỹ tạo ra He-3 qua quá trình phân rã chất phóng xạ triti, một đồng vị phóng xạ của hydro. Cho tới nay, nguồn He-3 dồi dào nhất ở Mỹ là từ các chương trình vũ khí hạt nhân, vì He-3 là phụ phẩm của quá trình này. Chính phủ Mỹ dùng triti trong các đầu đạn hạt nhân. Triti phân rã thành helium-3. He-3 có những tính chất đặc biệt, khiến nhu cầu sử dụng nó ngày càng lớn. He-3 có thể giúp phát hiện nơtron, nên nó được sử dụng rộng rãi trong thiết bị phát hiện nơtron trong lĩnh vực an ninh, công nghiệp và khoa học. Chính phủ Mỹ khai thác các máy phát hiện nơtron tại khu vực biên giới để ngăn chặn buôn lậu vật liệu X quang và phóng xạ qua biên giới. Trước đây, giá mỗi lít He-3 chỉ khoảng 100 USD, nhưng nhu cầu sử dụng He-3 ngày càng tăng đã đẩy giá của loại khí này lên tới 2.000 USD/lít trong những năm gần đây.

He-3 là khí phi phóng xạ, không độc và không trơ. Chính phủ Mỹ tạo ra He-3 qua quá trình phân rã chất phóng xạ triti, một đồng vị phóng xạ của hydro.Cho tới nay, nguồn He-3 dồi dào nhất ở Mỹ là từ các chương trình vũ khí hạt nhân, vì He-3 là phụ phẩm của quá trình này. Chính phủ Mỹ dùng triti trong các đầu đạn hạt nhân. Triti phân rã thành helium-3. He-3 có những tính chất đặc biệt, khiến nhu cầu sử dụng nó ngày càng lớn. He-3 có thể giúp phát hiện nơtron, nên nó được sử dụng rộng rãi trong thiết bị phát hiện nơtron trong lĩnh vực an ninh, công nghiệp và khoa học. Chính phủ Mỹ triển khai các máy phát hiện nơtron tại khu vực biên giới để ngăn chặn buôn lậu vật liệu X quang và phóng xạ qua biên giới. Trước đây, giá mỗi lít He-3 chỉ khoảng 100 USD, nhưng nhu cầu sử dụng He-3 ngày càng tăng đã đẩy giá của loại khí này lên tới 2.000 USD/lít trong những năm gần đây.

Theo ông Ouyang, trên trái đất chỉ có khoảng 10 tấn khí He-3. Bề mặt mặt trăng tiếp xúc với phóng xạ của mặt trời, nên các trận gió mặt trời luôn mang các hạt He-3 tới mặt trăng và tích tụ trên bề mặt. Để đáp ứng nhu cầu năng lượng của Trung Quốc thì chỉ cần 8 tấn khí He-3, tương đương với 220 triệu tấn dầu hoặc khoảng 1 tỷ tấn than. Hối hả hoàn thiện công nghệ điện nhiệt hạch

Sản xuất điện bằng lò phản ứng nhiệt hạch đòi hỏi phải thu giữ những plasma ion hóa ở nhiệt độ cực cao – hiện tại kỹ thuật này không hề dễ dàng và cũng không hiệu quả về mặt kinh tế với điều kiện vật liệu và công nghệ ngày nay. Tuy nhiên, tiềm năng khổng lồcủa năng lượng nhiệt hạch là động lực lớn thúc đẩy nghiên cứu để vượt qua những chướng ngại vật này.

Một trong những nỗ lực đáng kể nhất gần đây là sự ra đời của một dự án với sự tham gia của Liên minh châu Âu (thông qua Ủy ban năng lượng nguyên tử châu Âu), Nhật Bản, Trung Quốc, Ấn Độ, Hàn Quốc, Nga, và Mỹ tập trung vào lò phản ứng nhiệt hạch thử nghiệm quốc tế(ITER). Đây là dự án nghiên cứu thử nghiệm quốc tế nhằm khai thác tính khả thi về khoa học và kỹ thuật trong sản xuất điện nhiệt hạch. Chương trình với vốn đầu tư 12 tỷ USD nhằm chế tạo lò phản ứng nhiệt hạch thử nghiệm tiên tiến nhất đặt tại một cơ sở ở miền nam nước Pháp, dự kiến sẽ kéo dài 3 thập kỷ.

Lò phản ứng nhiệt hạch ITER được thiết kế để sản xuất ra 500 megawatt từ 500 megawatt năng lượng đầu vào. ITER bắt đầu được xây dựng từ năm 2007, và dòng plasma đầu tiên dự kiến sẽra đời vào năm 2019. Khi ITER được đưa vào sử dụng, đây sẽ là thí nghiệm vật lý thâu tóm plasma lớn nhất từ trước tới nay. Nhà máy điện nhiệt hạch thương mại thử nghiệm đầu tiên mang tên DEMO đượcđề xuất sẽ tiếp nối dự án ITER để đưa điện nhiệt hạch vào thị trường thương mại.

He-3 sẽ được khai thác và vận chuyển về trái đất như thế nào? Vì He-3 có trong gió mặt trời liên kết rất yếu với regolith (lớp bụi, đất, mảng vụn đá và những vật liệu liên quan khác bao phủ hầu như bao phủ toàn bộ Mặt Trăng), nên việc thu He-3 bằng công nghệ hiện nay là khá dễ dàng. Theo kế hoạch được đề xuất, khi một căn cứ đã được thiết lập trên mặt trăng, các robot khai thác mặt trăng tương thích với thiết bị thu nhiệt mặt trời sẽ thu và xử lý lớp regolith trên mặt trăng để đưa He-3 về dạng gas rồi đưa He-3 và các phụ phẩm khác về căn cứ trên mặt trăng. He-3 dạng khí sau đó sẽ được hóa lỏng rồi đưa về trái đất, có thể bằng các tàu con thoi điều khiển từ xa. Điều quan trọng là, quá trình thu thập và xử dung. He-3 không chỉ thu hoạch được He-3 mà còn thu được lượng hydro, oxy, nitơ, CO2 và nước đáng kể để giúp ích cho quá trình bảo trì căn cứ trên mặt trăng hay để thực hiện các hoạt động không gian khác như khám phá sao Hỏa và các hành tinh khác.

Trúc Quỳnh