Cuộc đua khai thác helium-3 trên Mặt Trăng

Helium-3 rất hiếm trên Trái Đất với phần lớn nguồn cung gián tiếp đến từ quá trình phân rã của tritium trong kho vũ khí hạt nhân. Sản lượng hàng năm từ các nguồn này chỉ đạt vài nghìn đến vài chục nghìn lít, không đủ để đáp ứng nhu cầu của ngành công nghiệp lượng tử. Ngược lại, Mặt Trăng tích tụ helium-3 qua hàng triệu năm do không có từ trường bảo vệ, tạo điều kiện cho những hạt trong gió mặt đưa đồng vị này vào lớp đất mặt. Một số nhà khoa học tính toán bề mặt Mặt Trăng có thể chứa lượng helium-3 lên tới một triệu tấn dù phân tán ở nồng độ thấp.

Helium-3 đóng vai trò quan trọng trong lĩnh vực máy tính lượng tử. Các tủ lạnh giãn nở tiên tiến sử dụng hỗn hợp helium-3 và helium-4 để làm lạnh qubit xuống nhiệt độ thấp hơn ngoài không gian hàng trăm lần, giúp giảm lỗi và khiến cỗ máy lượng tử trở nên hữu ích. Nếu trung tâm dữ liệu lượng tử mở rộng quy mô, nhu cầu về helium-3 có thể tăng vọt vượt quá khả năng cung cấp của Trái Đất.

Ngoài ứng dụng lượng tử, helium-3 còn là chất hấp thụ neutron hoàn hảo đối với máy dò bức xạ và khi phân cực mạnh, nó giúp nâng cấp ảnh chụp cộng hưởng từ. Tuy nhiên, ứng dụng hấp dẫn nhất của helium-3 là phản ứng nhiệt hạch, giúp tạo ra hạt tích điện thay vì neutron, dẫn tới ít hoạt động phóng xạ hơn về lâu dài.

Những ứng dụng tiềm năng trên biến helium-3 thành vật liệu mang tính quyết định và động lực cho cuộc đua khai khoáng trên Mặt Trăng với Mỹ và Trung Quốc là hai đối thủ chính. Cả hai nước đều ưu tiên thám hiểm Mặt Trăng và gắn hoạt động này với lợi thế công nghệ và chiến lược trong tương lai. Nga cũng công khai ý định tham gia cuộc cạnh tranh trong khi Liên minh châu Âu, Ấn Độ và một số đối thủ nhỏ hơn khác đang bắt đầu xác lập vị trí trên đường đua.

Nỗ lực khai thác helium-3 trên Mặt Trăng

Mẫu vật từ các nhiệm vụ Apollo của Mỹ cho thấy nồng độ helium-3 chỉ ở mức vài phần tỷ, đòi hỏi xử lý lượng lớn đất mặt (regolith) để chiết xuất khí hữu ích. Quy trình khai thác bao gồm đào lớp đất mặt, nung nóng ở nhiệt độ cao để giải phóng khí mắc kẹt, tách helium-3 khỏi helium-4 và nhiều chất dễ bay hơi khác, lưu trữ khí tinh khiết để vận chuyển. Trong thực tế, mỗi bước trong số đó đều đặt ra các vấn đề kỹ thuật khó khăn.

Theo Marcin Frackiewicz, chủ tịch công ty dịch vụ liên lạc vệ tinh TS2 SPACE tại Warsaw, Ba Lan, lớp đất mặt trên Mặt Trăng có thể tàn phá máy móc do chứa các hạt mịn nhiều thủy tinh có độ mài mòn cao và bám dính tĩnh điện, từng phá hỏng những khớp nối và mắc vào bộ đồ phi hành gia trong nhiệm vụ Apollo.

Trong môi trường có lực hấp dẫn chỉ bằng 1/6 Trái Đất, dầu bôi trơn bốc hơi, các bộ phận chuyển động hoạt động không đồng nhất, khả năng vận hành tự động rất cần thiết vì độ trễ thời gian giữa Trái Đất và Mặt Trăng, khiến điều khiển từ xa theo thời gian thực không khả thi. Chạy máy sưởi để xử lý hàng trăm tấn đất thông qua xử lý nhiệt cũng đòi hỏi nguồn năng lượng lớn trên bề mặt Mặt Trăng, dù sử dụng năng lượng mặt trời hay lò phản ứng nhỏ.

Các công ty khởi nghiệp đang cố gắng giải quyết những vấn đề này. Ví dụ, công ty Interlune ở Mỹ đề xuất phát triển cỗ máy thu hoạch nhỏ di động có thể xúc đất mặt, nung nóng từ bên trong và thải đất đã qua sử dụng khi di chuyển trên bề mặt Mặt Trăng. Mục tiêu của họ là tạo ra cỗ máy đủ nhẹ để hạ cánh bằng tàu đổ bộ nhưng có khả năng xử lý hàng chục đến hàng trăm tấn đất mỗi giờ.

Interlune đã chuyển từ khâu thí nghiệm sang hợp tác phát triển phần cứng, thử nghiệm hệ thống quy mô nhỏ trong các chuyến bay giảm trọng lực và làm việc với một số nhà sản xuất thiết bị trên Trái Đất để thu nhỏ kích thước máy móc thông thường thành dạng sẵn sàng phóng vào vũ trụ.

Khâu tách và tinh chế helium-3 đặt ra một trở ngại quan trọng khác. Ngay cả khi máy móc thu hoạch có thể giải phóng khí từ lớp đất mặt, tách riêng helium-3 khỏi helium-4 và khí khác ở tỷ lệ khối lượng thấp đòi hỏi sử dụng hệ thống đông lạnh hoặc màng phức tạp. Tìm ra giải pháp khả thi để lưu trữ và vận chuyển an toàn helium-3 trở lại Trái Đất càng làm tăng mức độ khó khăn.

Giữa năm 2025, Bộ Năng lượng Mỹ công bố hợp đồng mua ba lít helium-3 từ Mặt Trăng, đánh dấu lần đầu tiên chính phủ một nước mua nguồn tài nguyên ngoài Trái Đất. Các khách hàng tư nhân như Maybell Quantum và Microsoft cũng ký thỏa thuận tạm thời trong ngành công nghiệp lượng tử và đông lạnh. Những công ty sản xuất tủ lạnh giãn nở và cơ sở hạ tầng lượng tử đang chờ thỏa thuận cung cấp dài hạn nếu sản xuất helium-3 trên Mặt Trăng khả thi.

An Khang (Theo Interesting Engineering, PR Newswire)