NASA mới đây đã thông báo sẽ tài trợ 600.000 đô la Mỹ (495.000 bảng Anh) cho một nghiên cứu về tính khả thi của việc sử dụng một nhóm robot bơi siêu nhỏ (được biết tới như các vật thể cực nhỏ có khả năng di chuyển tự do trong môi trường chất lỏng) để khám phá các đại dương nằm dưới lớp vỏ băng giá của những “thế giới đại dương” trong Hệ Mặt Trời của chúng ta. Nhưng đừng cho rằng robot này sẽ giống như các người máy làm bằng kim loại bơi kiểu ếch dưới nước vì có thể chúng sẽ là những cái nêm hình tam giác đơn giản.
Hành tinh lùn Pluto là ví dụ điển hình về một thế giới có thể chứa đại dương trong đó nhưng những nơi chứa đại dương gần bề mặt mà chúng ta có thể dễ tiếp cận nhất chính là vệ tinh Europa của Sao Mộc và vệ tinh Enceladus của Sao Thổ.
Sự sống bên trong các thế giới đại dương
Những đại dương này được các nhà khoa học chú ý tới không chỉ do chúng chứa rất nhiều nước lỏng (đại dương của Europa có thể chứa lượng nước nhiều gấp đôi tất cả các đại dương trên Trái Đất cộng lại), mà còn vì các tương tác hóa học giữa đá và nước ở nơi đây có thể giúp cho sự sống phát triển. Trên thực tế, môi trường ở những đại dương này rất có thể giống như môi trường tại thời điểm mà sự sống mới bắt đầu xuất hiện trên Trái Đất.
Đây là dạng môi trường mà lượng nước thấm qua lớp đá dưới đáy biển, nóng lên và được làm giàu dinh dưỡng về mặt hóa học trước khi được thải trở lại vào đại dương. Các vi sinh vật ở nơi đây có thể tiêu thụ năng lượng hóa học này và sau đó chính chúng bị các sinh vật lớn hơn ăn. Sự trao đổi chất diễn ra mà không cần ánh sáng Mặt Trời hoặc khí quyển. Các cấu trúc đá chứa nhiệt như vậy được gọi là “miệng phun thủy nhiệt” (những khe nứt trên bề mặt tạo thành vùng nước được làm nóng bởi địa nhiệt). Chúng cũng từng được ghi nhận ở các đáy biển của Trái Đất kể từ khi được phát hiện vào năm 1977. Ở những vị trí này, lưới thức ăn của địa phương được hỗ trợ chủ yếu bởi quá trình tổng hợp hóa học (năng lượng từ các phản ứng hóa học) chứ không phải quá trình quang hợp (năng lượng từ ánh sáng Mặt Trời).
Tại hầu hết các thế giới đại dương trong Hệ Mặt Trời của chúng ta thì nguồn năng lượng đã làm nóng các lớp đá và giúp cho đại dương không bị đóng băng tới tận đáy chủ yếu bắt nguồn từ thủy triều. Điều này trái ngược với nguồn năng lượng được cung cấp bởi lượng nhiệt phóng xạ sinh ra từ trong lòng Trái Đất, nhưng các tương tác hóa học giữa nước và đá là giống nhau.
Các nhà khoa học đã tiến hành lấy mẫu từ đại dương của vệ tinh Enceladus bằng cách cho tàu không gian Cassini bay qua những chùm tinh thể băng phun trào từ các vết nứt trên bề mặt. Và hy vọng rằng sứ mệnh Europa Clipper của NASA (Mục tiêu của sứ mệnh này là tìm hiểu về các yếu tố chính cần cho sự sống trên vệ tinh Europa đồng thời hỗ trợ lựa chọn địa điểm hạ cánh thích hợp cho con tàu đổ bộ tới vệ tinh này trong tương lai) cũng có thể tìm thấy những chùm tia tương tự để lấy mẫu khi một loạt các chuyến bay tiếp cận Europa sẽ được thực hiện vào năm 2030. Tuy nhiên, việc xâm nhập sâu vào đại dương của vệ tinh này để khám phá có thể sẽ mang tới nhiều thông tin hơn là chỉ bay thoáng qua một vùng lạnh khô để lấy mẫu.
Swim
Đây là nơi xuất hiện khái niệm về các vật thể cực nhỏ có khả năng di chuyển tự do trong môi trường chất lỏng (viết tắt là Swim - từ cụm từ gốc là "sensing with independent micro-swimmers"). Ý tưởng này sẽ được áp dụng vào vệ tinh Europa hoặc Enceladus (sẽ rất tốn kém đồng thời cũng không dễ dàng để thực hiện) tại một nơi có lớp băng tương đối mỏng (chưa được định vị cụ thể) và sử dụng một tàu thăm dò được cung cấp nhiệt nhờ phóng xạ để đục một lỗ có đường kính 25cm xuống hàng trăm hoặc hàng nghìn mét phía dưới đại dương.
Khi tới nơi, tàu thăm dò này sẽ thả khoảng 48 robot Swim hình nêm có chiều dài 12 cm để đi khám phá. Sức bền của những con robot này sẽ kém hơn nhiều so với phương tiện tự hành chạy dưới nước dài 3,6m có tên là Boaty McBoatface (con tàu được sử dụng trong chương trình thám hiểm vùng cực của Chính phủ Vương quốc Anh) với phạm vi hoạt động trong vòng 2.000 km và hiện đã đi được quãng đường hơn 100km dưới lớp băng Nam Cực.
Ở giai đoạn này, ý tưởng các robot Swim chỉ đơn thuần là một trong năm “nghiên cứu của giai đoạn 2” về một loạt các “khái niệm nâng cao” được chương trình Các khái niệm nâng cao sáng tạo (NIAC)* của NASA tài trợ trong năm 2022. Vì vậy, ý tưởng này vẫn còn gặp rất nhiều khó khăn để trở thành hiện thực và không có nhiệm vụ hoàn chỉnh nào được thực hiện hoặc tài trợ.
Những robot Swim này sẽ giao tiếp với tàu thăm dò bằng âm thanh (thông qua sóng âm) và sau đó con tàu sẽ gửi dữ liệu của nó qua cáp tới tàu đổ bộ trên bề mặt vệ tinh này. Nghiên cứu này sẽ thử nghiệm các nguyên mẫu trong một bể thử nghiệm có tích hợp tất cả các hệ thống phụ.
Mỗi một robot Swim có thể chỉ hoạt động trong khu vực cách tàu thăm dò vài chục mét do nó bị giới hạn về năng lượng pin và phạm vi liên kết dữ liệu âm thanh giữa nó với tàu thăm dò nhưng khi hoạt động với số lượng đông đảo như một đàn thì các robot Swim này có thể lập bản đồ về sự thay đổi (về thời gian hoặc vị trí) của nhiệt độ và độ mặn ở nơi đây. Ngoài ra, chúng thậm chí có thể đo được sự thay đổi trong độ đục của nước, điều này có thể giúp xác định vị trí của các miệng phun thủy nhiệt ở gần đó nhất.
Tuy nhiên, điểm hạn chế về năng lượng của những robot Swim này là không robot nào có thể mang theo máy ảnh (chúng cần nguồn sáng riêng) hoặc cảm biến có thể dễ dàng phát hiện thấy các phân tử hữu cơ. Nhưng ở giai đoạn này cần xem xét tất cả mọi thứ.
Tuy nhiên, tôi nghĩ rằng việc tìm kiếm dấu hiệu của các miệng phun thủy nhiệt là ít khả quan vì xét cho cùng thì đáy biển sẽ nằm sâu cách nơi thả các robot Swim rất nhiều km. Tuy nhiên, công bằng mà nói thì mục tiêu xác định các miệng phun thủy nhiệt đã không được đề cập rõ ràng trong dự án về robot Swim. Để tìm được vị trí và thực hiện nghiên cứu về các miệng phun thủy nhiệt này thì có lẽ chúng ta phải cần tới Boaty McBoatface trong không gian. Điều đó nói rằng, robot Swim sẽ là một khởi đầu tốt.
Hồng Anh
Dịch từ bài của Giáo sư David Rothery đăng trên The Conversation
(*): Chương trình Các khái niệm nâng cao sáng tạo (NIAC) của NASA năm 2022 sẽ tài trợ cho 12 dự án nghiên cứu của giai đoạn 1 và 5 dự án nghiên cứu của giai đoạn 2. Những dự án này vẫn còn trong giai đoạn đầu thực hiện và chưa được xem là sứ mệnh chính thức của NASA. Các dự án được lựa chọn của giai đoạn 1 tập trung vào những thiết kế về một tàu không gian chở người có thể không bị tổn hại bởi các bức xạ, một loại máy bay hoạt động bằng điện không gây tiếng ồn và một tàu không gian có thể tận dụng áp lực của Mặt Trời để tăng tốc độ. Các dự án được lựa chọn của giai đoạn 2 bao gồm những thiết kế về robot leo núi kích thước nhỏ để khám phá các hang động dưới bề mặt của Sao Hỏa, một phương pháp sử dụng năng lượng hạt nhân mới cho các tàu không gian và robot siêu nhỏ có thể bơi để nghiên cứu các thế giới đại dương trong Hệ Mặt Trời.
