Từ hệ thống khai thác tài nguyên sao Hỏa đến máy thu CO2 cho nhà máy bia

Năm 2021, Maine Beer Company đứng trước nguy cơ thiếu khí carbon dioxide (CO2), loại khí cần cho nhiều công đoạn từ tạo ga đến đóng chai. Một giải pháp sau đó lại bắt đầu từ bài toán xa xôi hơn nhiều: làm thế nào để biến khí quyển sao Hỏa thành nguồn tài nguyên cho con người? [1]

Câu trả lời nằm ở việc thu giữ, làm sạch và đưa CO2 quay lại quy trình sử dụng. Công nghệ này không biến nhà máy bia thành một trạm vũ trụ, nhưng cho thấy một hệ thống nhỏ gọn vốn được thiết kế cho hành tinh khác có thể xử lý một vấn đề rất quen thuộc trên Trái đất. [1]

Vì sao thiếu CO2 lại ảnh hưởng đến bia?

CO2 không chỉ tạo cảm giác sủi bọt trong chai hoặc lon. Nhà máy bia còn dùng khí này trong các công đoạn như đóng chai, đóng keg và vận hành máy ly tâm. Khi nguồn cung từ nhà cung cấp bị gián đoạn, Maine Beer Company lo bia có thể bị xuống chất lượng trong bồn chứa vì không còn đủ CO2 cho những bước cần thiết. [1]

Có thể hình dung CO2 giống như một vật tư phải được cung cấp đều đặn trong dây chuyền. Nếu nguồn bên ngoài gián đoạn, nhà máy không chỉ thiếu khí để tạo ga thành phẩm mà còn gặp khó ở các thao tác bảo vệ và xử lý bia. Đây là ví dụ minh họa cho rủi ro của việc phụ thuộc hoàn toàn vào một nguồn cung riêng biệt.

Hệ thống cho sao Hỏa bắt đầu từ bài toán nào?

Từ thập niên 1990, Pioneer Astronautics nhận nhiều hợp đồng thuộc chương trình Small Business Innovation Research của Trung tâm Vũ trụ Johnson để phát triển hệ thống tạo tài nguyên trên sao Hỏa. Ý tưởng là thu CO2 trong khí quyển sao Hỏa rồi kết hợp với hydro để tạo nước phục vụ sự sống và methane làm nhiên liệu tên lửa. [1]

Các phản ứng hóa học liên quan vốn không hoàn toàn mới. Điểm được nhấn mạnh ở thiết kế của Pioneer là những hệ thống này có kích thước gọn, hoạt động hiệu quả và tự động hóa cao. Với một nhiệm vụ ngoài Trái đất, đó là các đặc tính quan trọng vì thiết bị phải làm việc trong môi trường xa xôi với rất ít sự can thiệp trực tiếp. [1]

Ở mức khái niệm, quy trình gồm ba việc: lấy một loại khí từ môi trường, tách hoặc làm sạch phần cần dùng, rồi đưa nó vào công đoạn tiếp theo. Khi chuyển sang nhà máy bia, mục tiêu hóa học thay đổi, nhưng logic kỹ thuật vẫn còn nguyên.

Bước chuyển từ mô-đun vũ trụ sang bồn bia

Robert Zubrin, người sáng lập Pioneer Astronautics, sau đó lập Pioneer Energy và sắp xếp lại các mô-đun của hệ thống để phục vụ ngành dầu khí. Trong quá trình đó, ông nhận ra thiết bị thu và làm sạch CO2 được phát triển cho sao Hỏa cũng có thể thu CO2 từ quy trình nấu bia rồi đưa khí trở lại để tạo ga. [1]

Đây là bước chuyển quan trọng: thay vì lấy CO2 từ khí quyển sao Hỏa, hệ thống lấy khí phát sinh trong chính hoạt động sản xuất trên Trái đất. Thay vì tạo nước hoặc nhiên liệu, nó cung cấp lại CO2 đã được xử lý cho một nhu cầu cụ thể của nhà máy. Năm 2015, Craft Brewery Recovery System bắt đầu được sản xuất. [1]

Cách làm này biến CO2 từ một chất cần mua thành một dòng vật chất có thể thu hồi. Nhà máy vẫn cần kiểm soát độ sạch và cách lưu trữ phù hợp với sản phẩm, nhưng nguyên tắc cơ bản là giảm lượng khí bị bỏ đi và giảm lượng khí phải mua từ bên ngoài.

Vì sao công nghệ này được mở rộng?

Sau khi công nghệ được đưa ra cấp phép, Amy George thành lập Earthly Labs tại Austin, Texas, vào năm 2016 để phát triển hệ thống thu CO2 quy mô nhỏ. Bà tìm thấy Craft Brewery Recovery System và nhận giấy phép độc quyền cho công nghệ này. [1]

Tình trạng thiếu CO2 và nguồn cung biến động tiếp tục làm nhiều doanh nghiệp quan tâm, đặc biệt sau khi đại dịch khiến khả năng cung cấp suy giảm. Với các nhà máy bia nhỏ, một hệ thống vừa với quy mô sản xuất có ý nghĩa thực tế hơn những dây chuyền thu giữ vốn thường gắn với các cơ sở công nghiệp rất lớn. [1]

Earthly Labs sau đó mở rộng sang xưởng rượu và nhà máy chưng cất. Trong những ngành này, CO2 cũng có thể xuất hiện như một sản phẩm phụ hoặc dòng khí cần được xử lý. Khi thu được khí đạt yêu cầu, doanh nghiệp có thể sử dụng lại hoặc bán, thay vì để toàn bộ lượng khí đó thất thoát. [1]

Từ nhà máy điện đến tách helium

Tiềm năng của hệ thống không dừng ở đồ uống. Một số công ty năng lượng tạo ra CO2 như sản phẩm phụ và đã trở thành khách hàng của công nghệ này. Năm 2021, Earthly Labs được Chart Industries mua lại; công ty này chuyên về kỹ thuật thiết bị lạnh sâu và hỗ trợ mở rộng công nghệ cho những ứng dụng như nhà máy điện. [1]

Một hướng sử dụng khác là sản xuất helium. Helium nằm trong các mỏ dưới lòng đất cùng những khí khác, chẳng hạn methane và CO2. Muốn thu helium, nhà sản xuất phải tách các thành phần này. Vì vậy, công nghệ xử lý CO2 có thể trở thành một phần trong chuỗi tách khí, dù mục tiêu cuối cùng ở đây không phải tạo ga cho đồ uống. [1]

Điểm chung giữa các ngành là nhu cầu kiểm soát một dòng khí có giá trị. Trong nhà máy bia, CO2 quay lại sản phẩm; trong ngành năng lượng, nó có thể được thu để bán; trong xử lý helium, nó cần được tách khỏi hỗn hợp khí. Cùng một nền tảng kỹ thuật có thể phục vụ các mục tiêu khác nhau khi được đặt vào đúng quy trình.

Bài học của một phát minh chuyển ngành

Câu chuyện này không nói rằng mọi công nghệ vũ trụ đều lập tức phù hợp với đời sống. Điều đáng chú ý là các mô-đun được thiết kế quanh một nguyên tắc tổng quát: thu một chất từ hỗn hợp, làm sạch nó và tự động đưa vào nơi cần dùng. Khi nguyên tắc ấy đáp ứng đúng một điểm nghẽn trên Trái đất, nó có thể sống một vòng đời mới. [1]

Một bồn bia vì thế trở thành nơi nhìn thấy rõ giá trị của nghiên cứu thám hiểm hành tinh. Công nghệ từng phục vụ viễn cảnh tạo nước và nhiên liệu trên sao Hỏa nay giúp doanh nghiệp giảm phụ thuộc vào nguồn CO2 bên ngoài và hạn chế lãng phí trong quy trình. Điều thay đổi không phải là bản chất của thiết bị, mà là câu hỏi mà con người đặt ra cho nó. [1]