Chia sẻ bài viết
Trong hơn hai mươi năm qua, con người đã liên tục sinh sống ngoài hành tinh của chúng ta.
Trạm Vũ trụ Quốc tế (ISS), được phóng lên vào năm 1998, là một vệ tinh mô-đun quay quanh quỹ đạo thấp của Trái đất, có thể nhìn thấy bằng mắt thường.
Kể từ ngày 2 tháng 11 năm 2000, ISS đã có một đội ngũ phi hành gia liên tục thay phiên đến từ nhiều quốc gia khác nhau, làm việc trên các dự án nhằm mở rộng ranh giới kiến thức của chúng ta. Bên cạnh nhiệm vụ khoa học quan trọng, các phi hành gia này cũng phải sống cuộc sống hàng ngày như chúng ta – tập thể dục, thư giãn, dọn dẹp và ngủ – mặc dù trong điều kiện không trọng lực.
Vào tháng 10, một tên lửa Antares mang theo tàu tiếp tế Cygnus đã được NASA phóng tại Trung tâm Vũ trụ Johnson. Tàu chở hàng này mang theo một hệ thống thí nghiệm dùng để nghiên cứu quá trình oxy hóa amoniac trong điều kiện không trọng lực nhằm chuyển đổi nước tiểu thành nước trên ISS.
Việc cải tiến hệ thống xử lý chất thải này có ý nghĩa quan trọng cho các chuyến thám hiểm dài hạn, nơi mà trọng lượng hàng hóa cần được tối ưu hóa với lượng nước cần thiết (rất nặng) để duy trì sự sống trong suốt chuyến đi. Với nguồn lực hạn chế trên tàu vũ trụ, việc thu hồi nước từ mọi quy trình là vô cùng quan trọng.
Các nhiệm vụ tương lai có thể hưởng lợi từ nghiên cứu này bao gồm các chuyến đi đến mặt trăng (Artemis) và cuối cùng là đến sao Hỏa (Orion).
Hệ thống này sử dụng điện cực in màn hình DropSens của Metrohm (SPEs). Lớp phủ vật liệu nano mới lạ trên các điện cực được phát triển bởi các nhà nghiên cứu tại Đại học Alicante ở Tây Ban Nha phối hợp với Đại học Puerto Rico. Trong bài viết này, chúng tôi muốn giới thiệu về những người đứng sau dự án và trình bày về nghiên cứu mà họ đang thực hiện trong không gian với sản phẩm của Metrohm.
Gặp gỡ những nhà nghiên cứu
Dr. José Solla Gullón (Ph.D. 2003, Chemistry)
Tôi hiện là Nhà Nghiên cứu Xuất sắc tại Viện Điện hóa thuộc Đại học Alicante, Tây Ban Nha. Nghiên cứu của tôi chủ yếu tập trung vào tổng hợp, đặc tính và các tính chất điện hóa của nhiều loại hạt nano với kích thước, thành phần, hình dạng và cấu trúc bề mặt được xác định rõ ràng. Thành tích công bố của tôi bao gồm khoảng 175 bài báo khoa học (chỉ số h-index là 53). Tôi cũng đã trình bày hơn 250 báo cáo tại các hội nghị quốc tế và trong nước.
Ms. Camila Morales Navas
Tôi là nghiên cứu sinh cao học cấp cao tại Khoa Hóa học, Đại học Puerto Rico (UPR). Tôi đang tham gia một dự án nghiên cứu hợp tác với NASA, có tiêu đề «Làm sáng tỏ cơ chế oxy hóa điện hóa amoniac bằng các kỹ thuật điện hóa trên Trạm Vũ trụ Quốc tế (ISS)», hay gọi tắt là «Ammonia Electrooxidation Lab at the ISS (AELISS)». Mục đích của dự án là cải tiến hệ thống xử lý nước và xác định các công nghệ mới cho các nhiệm vụ dài hạn trong không gian.
Dự án được thực hiện bởi NASA-ESPCoR, Đại học Puerto Rico, Đại học Alicante, NuVant Systems và Nanoracks, với sự hỗ trợ từ Metrohm DropSens.
Tìm hiểu thêm về dự án trên trang web của NASA:
Dự án AELISS
Để có cái nhìn tổng quan ngắn gọn từ Camila và giáo viên hướng dẫn của cô ấy, hãy xem video dưới đây do NASA cung cấp:
Tại đây, bạn có thể thấy các thiết bị Metrohm DropSens được sử dụng trong nghiên cứu này: điện cực carbon in màn hìnhmàn hình (SPCE, 8X110) và buồng dòng chảy tương ứng (FLWCL8X1C).
Dự án AELISS bắt đầu như thế nào?
Khoảng năm năm trước, các nhóm nghiên cứu từ Đại học Alicante và Đại học Puerto Rico (UPR) đã bắt đầu hợp tác cùng nhau trong các thí nghiệm vi trọng lực, dẫn đến việc họ tiếp tục hợp tác cho dự án này, hiện đang được thực hiện trên Trạm Vũ trụ Quốc tế (ISS).
Phản ứng oxy hóa điện hóa amoniac sử dụng bạch kim làm chất xúc tác là một phản ứng đã được xác lập từ lâu, lần đầu tiên được nhóm của José công bố gần hai thập kỷ trước. Amoniac rất nhạy cảm với cấu trúc bề mặt của bạch kim. Tuy nhiên, điều này đã được biết rõ trên Trái đất. Vậy phản ứng này diễn ra như thế nào trong môi trường không trọng lực? Các nhóm nghiên cứu đã cố gắng xác định điều này bằng cách thực hiện các thí nghiệm tại Mỹ sử dụng một loại máy bay đặc biệt mô phỏng trạng thái không trọng lực trong khoảng thời gian ngắn bằng cách bay theo quỹ đạo parabol.
Ban đầu, dự án này chỉ đơn thuần mang tính nghiên cứu, nhưng sau đó nhóm của Camila tại Puerto Rico đã suy nghĩ nhiều hơn về khả năng ứng dụng trong không gian. Ure từ nước tiểu được chuyển hóa thành amoniac, sau đó trải qua quá trình oxy hóa điện hóa, tạo ra khí N₂, nước và năng lượng. Có thể công nghệ này sẽ giúp cải thiện hệ thống thu hồi và tái chế nước trên ISS và các tàu vũ trụ khác?
Vì nhóm nghiên cứu tại UPR thường xuyên viết các đề xuất nghiên cứu được NASA tài trợ, họ có hiểu biết sâu rộng về các yêu cầu kỹ thuật cho dự án cũng như những vật liệu nào được phép mang lên tàu không gian. Nhóm UPR đã hợp tác với NASA trong khoảng 20 năm.
Sự kết hợp giữa chuyên môn nghiên cứu oxy hóa amoniac của phòng thí nghiệm José tại Tây Ban Nha và kiến thức của nhóm Camila tại Puerto Rico về các yêu cầu kỹ thuật và an toàn của NASA đã giúp hiện thực hóa và xây dựng thành công dự án phức tạp AELISS. Tuy nhiên, việc phóng thiết bị lên ISS không phải là chuyện dễ dàng…
Đại dịch COVID-19 có ảnh hưởng đáng kể đến nghiên cứu không?
Bên cạnh những khó khăn và sự chậm trễ thường gặp trong các dự án nghiên cứu hợp tác, sự bùng phát của đại dịch toàn cầu ở giai đoạn cuối cùng đã khiến tình hình trở nên phức tạp hơn. Đại dịch COVID-19 đã ảnh hưởng đến tiến độ của dự án AELISS, đặc biệt là trong việc đi lại và làm việc trong môi trường có quy định nghiêm ngặt như của NASA. Ngoài ra, Puerto Rico trong thời gian này cũng đã phải đối mặt với một loạt trận động đất và bão lớn.
Việc phối hợp công việc giữa các bên đôi lúc trở nên khó khăn, đặc biệt khi Camila phải mang toàn bộ thiết bị về nhà để hoàn thiện phần kỹ thuật. Vào tháng 6, cô đã có thể quay lại phòng thí nghiệm và hoàn tất dự án. Tuy nhiên, căng thẳng vẫn chưa dừng lại ở đó, vì cô còn phải bay sang Mỹ đến NASA – và cùng với đó là nguy cơ nhiễm COVID-19 trong quá trình di chuyển.
Chỉ cần một kết quả xét nghiệm dương tính sẽ đồng nghĩa với việc bị từ chối nhập cảnh – không thể có bất kỳ rủi ro nào gây lây nhiễm cho phi hành đoàn trên ISS.
Cuối cùng, mọi thứ đã diễn ra theo đúng kế hoạch trước và trong quá trình phóng, và thiết bị nghiên cứu đã được gửi lên Trạm Vũ trụ Quốc tế vào tháng 10 cùng với nhiều hàng hóa quan trọng khác dành cho các phi hành gia. Bây giờ khi phần việc này đã hoàn thành, công việc tiếp theo mới thật sự bắt đầu…
AELISS sẽ khác gì so với các thí nghiệm tương tự trên Trái Đất?
Mục tiêu cuối cùng của nghiên cứu này là xác định xem trọng lực ảnh hưởng như thế nào đến quá trình oxy hóa amoniac, đồng thời thử nghiệm các chất xúc tác khác nhau cho phản ứng trong điều kiện vi trọng lực. Trong phòng thí nghiệm trên Trái Đất, chúng ta có thể điều chỉnh nhiều thông số như pH, hình dạng hạt nano, v.v. — nhưng trọng lực là một yếu tố phổ quát mà chúng ta không thể loại bỏ. Trên Trái Đất, chúng ta chỉ có thể mô phỏng vi trọng lực trong vài giây bằng cách tạo điều kiện rơi tự do. Trong dự án này, sự hợp tác trước đó giữa các nhóm nghiên cứu cũng đã thực hiện các thí nghiệm trên các chuyến bay đặc biệt, chỉ cho phép môi trường không trọng lực trong chưa đầy 15 giây mỗi lần. Rõ ràng đây không phải là khoảng thời gian đủ để rút ra các kết luận dài hạn, vì vậy dự án đã được đẩy mạnh để đưa lên quỹ đạo. Chỉ khi đó, một phép so sánh thực sự mới có thể được thực hiện và những kết luận chính xác mới có thể được đưa ra về ảnh hưởng của trọng lực và tiềm năng ứng dụng công nghệ này trong tương lai.
Một trong những mối quan tâm chính của dự án này là đạt được hiệu suất chuyển đổi tối ưu nước tiểu thải thành nước có thể sử dụng được cho các chuyến thám hiểm dài ngày trong không gian. Ở đây, việc tái chế nước đóng vai trò then chốt. Cũng cần lưu ý rằng sản phẩm của phản ứng oxy hóa amoniac là khí nitơ, nhưng hành vi của các bọt khí không giống nhau trên Trái đất và trong không gian. Việc hiểu cách các bọt khí N₂ hoạt động khi không có trọng lực là một bước quan trọng trong nghiên cứu.
Dự án nghiên cứu tiến sĩ của Camila nhằm trả lời những câu hỏi này và nhiều vấn đề khác, sử dụng điều kiện thực tế trong không gian thay vì chỉ là những khoảng thời gian ngắn không trọng lượng khi bay. Vậy các nhà nghiên cứu đã chọn sử dụng sản phẩm của Metrohm như thế nào?
Có Gì Đặc Biệt Ở Metrohm?
Vậy tại sao lại chọn Metrohm thay vì các nhà cung cấp khác? Tôi đã hỏi José và Camila điều gì đã thu hút họ đến với các sản phẩm của chúng tôi.
Ngoài ra, José còn nhấn mạnh rằng các buồng dòng chảy điện hóa từ Metrohm DropSens rất nhỏ gọn, hoàn toàn phù hợp với hệ thống khái niệm của họ, đây là một điểm quan trọng khác. Thực tế, chỉ cần một vài chỉnh sửa nhỏ về mặt thẩm mỹ để các sản phẩm có thể sử dụng trong dự án này – tất cả các vật liệu dùng đều đã được NASA phê duyệt.
Đối với Camila, đây là lần đầu tiên cô sử dụng các sản phẩm này, và cô thấy việc sử dụng ngay từ khi mở hộp vô cùng thuận tiện.
Trước đây, José đã nhiều lần yêu cầu Metrohm DropSens thiết kế riêng các điện cực in (SPE) theo nhu cầu nghiên cứu của mình, và luôn nhận được sự hỗ trợ nhanh chóng và hợp tác từ phía Metrohm.
Chúng tôi chúc những điều tốt đẹp nhất đến các nhóm nghiên cứu đứng sau dự án đầy tham vọng AELISS tại Đại học Puerto Rico và Đại học Alicante. Chúng tôi tại Metrohm tự hào vì các sản phẩm của mình có thể góp phần vào việc khám phá không gian.
