Hệ sinh thái cho chuyến bay vũ trụ dài ngày, trong ngành gọi là hệ hỗ trợ sự sống tái sinh sinh học, là một hệ kín trong đó cây, tảo và vi sinh vật làm thay máy móc ba việc: tạo oxy, lọc nước và tái chế chất thải thành thức ăn. Trạm vũ trụ quốc tế hiện vẫn dựa chủ yếu vào máy và hàng tiếp tế từ Trái Đất; nhưng một chuyến đi sao Hoả mất vài năm khó chở đủ mọi thứ từ đầu. Các thí nghiệm như BIOS-3 ở Nga, MELiSSA của châu Âu và "Cung Trăng 1" ở Trung Quốc đã đưa người sống nhiều tháng trong những hệ như vậy, nhưng chưa hệ nào khép kín được hoàn toàn.
Vì sao không thể chở theo mọi thứ
Một người mỗi ngày cần khoảng vài trăm lít oxy, vài lít nước uống, hơn nửa ký thức ăn khô, chưa kể nước tắm rửa. Với chuyến bay vài ngày lên quỹ đạo, chở theo là đơn giản nhất. Với trạm vũ trụ quanh Trái Đất, tàu hàng có thể lên tiếp tế vài tháng một lần. Nhưng với chuyến đi sao Hoả, khứ hồi có thể kéo dài hai đến ba năm, không có tàu nào tiếp tế giữa đường. Mỗi kilôgam chở lên không gian lại rất đắt.
Có hai hướng giải quyết, thường kết hợp với nhau:
| Hướng | Cách làm | Ưu điểm | Hạn chế |
|---|---|---|---|
| Lý – hoá | Máy điện phân nước tạo oxy, máy hấp thụ CO₂, máy lọc và chưng cất nước | Gọn, ổn định, dễ điều khiển | Không làm ra thức ăn, cần phụ tùng thay thế |
| Sinh học | Cây, tảo hấp thụ CO₂ thải oxy; vi sinh phân huỷ chất thải; cây làm ra thức ăn | Tái sinh cả thức ăn, có thể tự sửa chữa, tốt cho tinh thần | Chậm, cần nhiều ánh sáng và diện tích, dễ mất cân bằng |
Trạm vũ trụ quốc tế hiện dùng chủ yếu hướng lý – hoá. Năm 2023, NASA cho biết hệ thống trên trạm đã thu hồi được khoảng 98% nước, kể cả từ mồ hôi, hơi thở và nước tiểu. Đây là một thành tựu lớn, nhưng thức ăn vẫn phải chở lên.
Những thí nghiệm hệ kín có người ở
BIOS-3 ở Krasnoyarsk
Viện Lý sinh ở Krasnoyarsk (Siberia) đã thử hệ kín từ thập niên 1960, bắt đầu với tảo Chlorella trong bể chiếu sáng để tạo oxy cho người. Năm 1972 họ dựng BIOS-3, một khu kín có buồng trồng lúa mì, rau và buồng nuôi tảo. Trong thập niên 1970 và 1980, các nhóm từ hai đến ba người đã sống bên trong nhiều tháng, đợt dài nhất khoảng sáu tháng. Không khí và nước được tái sinh gần như trọn vẹn; phần lớn thức ăn thực vật được trồng tại chỗ, nhưng thịt và một số thứ khác vẫn đưa từ ngoài vào.
Biosphere 2
Đợt khép kín 1991–1993 ở Arizona không phải dự án vũ trụ chính thức, nhưng là bài học lớn: đất giàu chất hữu cơ ngốn oxy, bê tông hút CO₂, và tám người phải bơm thêm oxy sau 16 tháng. Nó cho thấy một hệ sinh thái càng phức tạp càng khó kiểm soát.
MELiSSA của châu Âu
Từ năm 1989, Cơ quan Vũ trụ châu Âu (ESA) theo đuổi dự án MELiSSA. Thay vì dựng một "khu rừng thu nhỏ", MELiSSA chia hệ thành các khoang nối tiếp, mỗi khoang một nhóm sinh vật làm một việc, giống dây chuyền trong nhà máy:
- Vi khuẩn chịu nhiệt, không cần oxy, phân huỷ chất thải và phần cây không ăn được.
- Vi khuẩn quang hợp xử lý tiếp các axit hữu cơ còn lại.
- Vi khuẩn nitrat hoá biến amoniac thành nitrat, giống như trong bộ lọc bể cá.
- Cây trồng và vi khuẩn lam (như Arthrospira, thường gọi là tảo xoắn) dùng nitrat và CO₂, tạo oxy và thức ăn.
- Khoang người ở, nơi tiêu thụ và thải ra.
Cách chia khoang giúp đo đạc và điều khiển từng bước, điều mà một hệ sinh thái "tự nhiên" không cho phép.
"Cung Trăng 1" ở Bắc Kinh
Đại học Hàng không Vũ trụ Bắc Kinh dựng khu thí nghiệm Yuegong-1 ("Cung Trăng 1"). Trong đợt thí nghiệm kết thúc tháng 5/2018, các nhóm tình nguyện viên luân phiên sống bên trong tổng cộng 370 ngày. Họ trồng nhiều loại rau, ngũ cốc và nuôi sâu bột làm nguồn đạm. Theo công bố của nhóm nghiên cứu, phần lớn không khí, nước và một tỉ lệ lớn thức ăn được tái sinh bên trong, dù vẫn có một phần đưa từ ngoài vào.
Trồng cây trên quỹ đạo
Song song với các hệ kín trên mặt đất, các phi hành gia đã trồng cây thật trong không gian. Trên trạm vũ trụ quốc tế, buồng trồng rau Veggie được lắp năm 2014. Tháng 8/2015, phi hành đoàn lần đầu ăn rau xà lách trồng trên trạm theo chương trình của NASA. Sau đó họ trồng thêm cải, ớt, hoa. Không trọng lực làm rễ và nước hành xử khác thường: nước không chảy xuống mà bám thành khối quanh rễ, dễ làm rễ thiếu oxy. Đây là một ví dụ cho thấy kiến thức về cây trên Trái Đất không chuyển thẳng lên không gian được.
Những bài toán chưa giải xong
- Ánh sáng và điện: cây cần rất nhiều ánh sáng; trên tàu, ánh sáng là điện, điện là tấm pin và khối lượng.
- Diện tích: nuôi đủ một người bằng cây trồng cần diện tích trồng lớn, kể cả với đèn LED và giống năng suất cao.
- Độ bền: một bệnh nấm hay một đợt vi khuẩn lạ có thể quét sạch cả khoang trồng. Ngoài tự nhiên còn có loài khác thay thế; trong hệ nhỏ thì không.
- Nguyên tố "kẹt": một số chất tích lại ở chỗ khó tái chế, như muối trong nước tiểu hay phần gỗ cứng của cây.
- Con người: ăn uống đơn điệu, sống chật chội lâu ngày ảnh hưởng tinh thần; nhiều phi hành gia lại nói chăm cây giúp họ vui hơn.
Góc nhìn hôm nay: từ chai cây tới tàu vũ trụ
Mọi nỗ lực này đều quay về cùng nguyên lý của một chai cây kín: năng lượng đi vào, vật chất quay vòng nhờ ba nhóm sản xuất, tiêu thụ, phân giải. Khó khăn chỉ là làm cho vòng quay đó đủ nhanh, đủ chắc để nuôi người. Mỗi lần các nhà khoa học cố dựng lại một phần nhỏ của sinh quyển, họ lại thấy rõ hơn Trái Đất làm việc này khéo léo và rẻ tới mức nào.
Muốn tìm hiểu thêm, có thể đọc trang thông tin về MELiSSA của ESA, các bài của NASA về buồng Veggie và hệ thu hồi nước trên trạm vũ trụ, hoặc các bài tổng kết về BIOS-3 trên các tạp chí khoa học vũ trụ. Học sinh có thể làm thí nghiệm nhỏ: so sánh tốc độ mọc của rau mầm dưới đèn LED và dưới ánh sáng cửa sổ.
Câu hỏi thường gặp
Hệ hỗ trợ sự sống tái sinh sinh học là gì?
Là hệ dùng cây, tảo và vi sinh vật để tạo oxy, lọc nước, tái chế chất thải và làm ra thức ăn cho người trong môi trường kín như tàu vũ trụ. Nó khác hệ lý – hoá vốn dùng máy móc và không làm ra thức ăn.
Phi hành gia trên trạm vũ trụ lấy oxy ở đâu?
Chủ yếu từ máy điện phân nước, tách nước thành oxy và hydro. Nước được thu hồi tái chế từ hơi thở, mồ hôi và nước tiểu; NASA cho biết tỉ lệ thu hồi đạt khoảng 98% năm 2023.
Đã có ai sống trong hệ sinh thái kín lâu ngày chưa?
Có. Các nhóm người đã sống nhiều tháng trong BIOS-3 ở Nga, hai năm trong Biosphere 2 ở Mỹ, và 370 ngày luân phiên trong Yuegong-1 ở Trung Quốc. Tuy vậy, chưa hệ nào khép kín hoàn toàn về thức ăn và vật chất.
Có trồng được rau trên trạm vũ trụ không?
Được. Buồng trồng Veggie lắp năm 2014 trên trạm vũ trụ quốc tế, và năm 2015 phi hành đoàn lần đầu ăn xà lách trồng tại chỗ. Không trọng lực khiến việc tưới nước và giữ oxy cho rễ khó hơn trên mặt đất.
Vì sao đi sao Hoả cần hệ sinh thái kín?
Chuyến khứ hồi có thể kéo dài hai đến ba năm mà không được tiếp tế. Chở đủ thức ăn, nước và oxy từ đầu rất nặng và tốn kém, nên cần tái sinh một phần ngay trên tàu.
