06:26 08/05/2026
Đời sống
Khi NASA hướng tới các sứ mệnh khám phá Mặt Trăng, sao Hỏa và xa hơn nữa, việc phát triển những vật liệu có thể chịu được nhiệt độ cực hạn trong không gian trở thành yêu cầu quan trọng. Trong môi trường giá lạnh, cao su có thể vỡ như thủy tinh, bảng mạch điện tử dễ hỏng, còn các kết nối điện có nguy cơ đóng băng và nứt gãy.
Thách thức này đặc biệt quan trọng trong kế hoạch xây dựng căn cứ tại cực Nam của Mặt Trăng, nơi nhiệt độ bề mặt thay đổi dữ dội, từ nóng cực độ vào ban ngày đến lạnh giá vào ban đêm.
Để giải quyết vấn đề, các kỹ sư tại Trung tâm Nghiên cứu Glenn của NASA đã phát triển Thiết bị thử nghiệm cấu trúc môi trường Mặt Trăng (LESTR), hệ thống thử nghiệm có thể kiểm tra vật liệu, linh kiện điện tử và phần cứng hàng không vũ trụ ở nhiệt độ thấp tới 40 Kelvin, tương đương khoảng âm 233°C.
Thiết bị thử nghiệm cấu trúc môi trường Mặt Trăng tại Trung tâm Nghiên cứu Glenn của NASA ở Cleveland, bang Ohio, Mỹ. (Ảnh: NASA)
"Không công trình kiến trúc nào được xây dựng mà không hiểu rõ đặc tính của vật liệu xây dựng. Tương tự, không có sứ mệnh không gian nào hoàn chỉnh nếu thiếu thiết kế kết cấu vững chắc dựa trên hiểu biết về vật liệu được sử dụng", Ariel Dimston, trưởng nhóm kỹ thuật dự án LESTR tại NASA Glenn, cho biết.
Trước đây, NASA thường sử dụng các chất lỏng siêu lạnh như nitơ, hydro hoặc heli lỏng để kiểm tra khả năng chịu lạnh của vật liệu. Các chất này thuộc nhóm lạnh nhất trên Trái Đất và cần được lưu trữ trong các bồn chứa chuyên dụng.
Theo NASA, điểm khác biệt của LESTR là toàn bộ hệ thống hoạt động trong môi trường chân không khô hoàn toàn.
"Điểm đặc biệt của LESTR là toàn bộ hệ thống hoạt động trong môi trường chân không khô hoàn toàn: không nitơ lỏng, không heli lỏng, không bất kỳ chất lỏng nào", Dimston cho hay. "Đây là hệ thống thử nghiệm cơ học đầu tiên loại bỏ được toàn bộ thách thức liên quan đến chất lỏng cryogenic".
Thay vì dùng chất lỏng siêu lạnh, hệ thống sử dụng thiết bị làm lạnh công suất cao gọi là cryocooler để loại bỏ nhiệt. NASA cho biết đây là môi trường thử nghiệm cryogenic “khô” đầu tiên trong lĩnh vực kiểm tra cơ học.
Công nghệ mới an toàn hơn và có chi phí thấp hơn so với phương pháp truyền thống, đồng thời giúp mở rộng phạm vi thử nghiệm nhiệt độ.
"Khi không còn dùng chất lỏng cryogenic, bạn cũng không cần các thiết bị xử lý chuyên dụng như bình Dewar, bộ gia nhiệt hay van điều khiển", ông giải thích. "Bạn cũng không còn phải sử dụng cảm biến thiếu oxy và các hệ thống an toàn phức tạp khác, vốn làm tăng thời gian, độ phức tạp và chi phí của quy trình".
Kỹ sư đông lạnh thử nghiệm hệ thống LESTR mô phỏng các điều kiện chân không nhiệt của đêm trên Mặt Trăng. (Ảnh: NASA)
NASA hiện sử dụng LESTR để thử nghiệm nhiều loại vật liệu cho các sứ mệnh tương lai. Nhóm nghiên cứu đang kiểm tra các loại sợi có thể dùng cho thế hệ bộ đồ không gian mới, đồng thời phát triển vật liệu cho bánh xe robot tự hành.
Một trong những hướng nghiên cứu đáng chú ý là hợp kim nhớ hình, loại kim loại có thể trở lại trạng thái ban đầu sau khi bị bẻ cong, kéo giãn, nung nóng hoặc làm lạnh. Công nghệ này được kỳ vọng giúp robot thám hiểm di chuyển trên địa hình gồ ghề của Mặt Trăng và sao Hỏa mà không lo thủng lốp.
NASA dành hơn hai năm để phát triển phiên bản đầu tiên mang tên LESTR 1 và hiện tiếp tục chế tạo phiên bản thứ hai. Trong khuôn khổ hợp tác với Fort Wayne Metals, cơ quan vũ trụ Mỹ đã chuyển giao LESTR 1 tới cơ sở của công ty tại bang Indiana để thử nghiệm hợp kim nhớ hình trong môi trường nhiệt độ cực thấp.
"Chúng tôi đang phát triển thế hệ hợp kim nhớ hình mới có khả năng hoạt động ở nhiệt độ xuống tới 40 Kelvin, một trong những môi trường lạnh nhất mà robot thám hiểm có thể tiếp cận", Tiến sĩ Santo Padula II, chuyên gia kiểm định dự án LESTR tại NASA Glenn, cho biết.
Ông nói thêm: "Với hệ thống này, chúng tôi có thể kiểm tra cách hợp kim nhớ hình hoạt động ở những khu vực lạnh nhất trên Mặt Trăng và sao Hỏa. Đó sẽ là cột mốc rất lớn đối với chúng tôi và các nhà khoa học khi lần đầu tiên được chứng kiến các đặc tính vật liệu ở mức nhiệt thấp như vậy".
Ngoài LESTR, Trung tâm Glenn của NASA còn vận hành nhiều cơ sở thử nghiệm mô phỏng môi trường không gian, trạng thái vi trọng lực trên Trạm Vũ trụ Quốc tế, bầu khí quyển khắc nghiệt của sao Kim hay địa hình Mặt Trăng và sao Hỏa.
NASA Glenn hiện đóng vai trò trung tâm trong các nghiên cứu về vật liệu tiên tiến và công nghệ quản lý chất lỏng cryogenic trong không gian, phục vụ các sứ mệnh khám phá tương lai.