Trên quỹ đạo hiện có 3 khoang tàu vũ trụ, mỗi khoang có kích thước tương đương một chiếc máy giặt. Trong khi 1 khoang thực hiện thí nghiệm nuôi cấy tinh thể thuốc, 2 khoang còn lại thử nghiệm vật liệu chịu nhiệt và hệ thống định vị trước khi quay trở lại bầu khí quyển Trái Đất với tốc độ siêu thanh.
Môi trường không trọng lực trong không gian cho phép tinh thể phát triển theo cách có trật tự hơn. (Ảnh: Varda)
Cả 3 đều thuộc sở hữu của Varda Space Industries, công ty có trụ sở tại California, Mỹ. Ngày 1/10, doanh nghiệp phóng hai tàu vũ trụ trên cùng một tên lửa, sau đó tiếp tục đưa chiếc thứ 3 lên quỹ đạo vào ngày 20/10. Việc duy trì đồng thời 3 tàu trên không gian đánh dấu một bước tiến trong tham vọng xây dựng đội tàu chuyên hoạt động như những nhà máy dược phẩm tự hành trên quỹ đạo.
"Chúng tôi là công ty đầu tiên trong lịch sử phóng đồng thời nhiều phương tiện tái nhập khí quyển thương mại. Khi tần suất phóng tăng lên, ý tưởng từng bị xem là điên rồ về việc sản xuất hàng hóa trong không gian đang ngày càng trở nên khả thi", Will Bruey, Giám đốc điều hành Varda, cho biết.
Môi trường không trọng lực có thể cải thiện chất lượng tinh thể thuốc
Một trong những lợi thế lớn nhất của việc sản xuất ngoài không gian là môi trường vi trọng lực. Trên Trái Đất, trọng lực khiến các hạt lơ lửng trong chất lỏng dần lắng xuống, đồng thời tạo ra những dòng chảy do sự khác biệt về mật độ. Các hiện tượng này có thể làm gián đoạn quá trình hình thành và phát triển tinh thể.
Trong môi trường vi trọng lực, những tác động đó được giảm thiểu đáng kể, giúp tinh thể phát triển theo trật tự hơn. Tiến sĩ Meganne Christian, quản lý nhiệm vụ sản xuất trong không gian tại Trung tâm Ứng dụng Vệ tinh (Anh), cho rằng đây là lợi thế quan trọng đối với nhiều quy trình công nghiệp.
Với ngành dược phẩm, hình dạng, kích thước và cấu trúc sắp xếp của tinh thể có thể ảnh hưởng đến khả năng hòa tan, độ ổn định cũng như cách cơ thể tiếp nhận thuốc. Vì vậy, việc kiểm soát tốt hơn quá trình hình thành tinh thể có thể giúp các nhà khoa học phát triển những dạng thuốc mới. Trong một số trường hợp, thuốc hiện phải sử dụng qua đường truyền tĩnh mạch có thể được điều chế lại thành dạng tiêm thuận tiện hơn.
Không chỉ dược phẩm, nhiều vật liệu công nghệ cao cũng có thể hưởng lợi từ môi trường sản xuất đặc biệt này. Chẳng hạn, chất bán dẫn – thành phần quan trọng trong điện thoại thông minh, xe điện và nhiều thiết bị điện tử, có khả năng được tạo ra với độ tinh khiết cao hơn, ít khuyết tật hơn nhờ vi trọng lực và môi trường gần như chân không.
Christian cho biết bà đặc biệt quan tâm đến khả năng chế tạo graphene trong không gian. Đây là vật liệu có nhiều đặc tính lý thuyết đầy hứa hẹn, nhưng quá trình sản xuất trên Trái Đất vẫn gặp khó khăn do các khuyết tật trong cấu trúc tinh thể. Tình trạng tương tự cũng xuất hiện ở vật liệu bán dẫn. Nếu có thể giảm những khuyết tật này, các nhà sản xuất có thể tạo ra vật liệu với hiệu suất cao hơn đáng kể.
Vì sao các nhà máy trên quỹ đạo không cần phi hành gia?
Các nhà khoa học đã nghiên cứu khả năng sản xuất trong môi trường vi trọng lực suốt nhiều thập kỷ, đặc biệt trên Trạm Vũ trụ Quốc tế (ISS). Tuy nhiên, ISS chủ yếu được xây dựng để phục vụ nghiên cứu khoa học, chứ không phải hoạt động sản xuất công nghiệp. Trạm dự kiến ngừng hoạt động vào khoảng năm 2030.
Tiến sĩ Ryan Reeves, Phó trưởng nhóm khoa học của Phòng thí nghiệm Quốc gia ISS, nhận định trạm vũ trụ này đóng vai trò như một phòng thí nghiệm để kiểm chứng các ý tưởng, nhưng không được thiết kế chuyên biệt cho mục đích sản xuất.
Một số doanh nghiệp đang phát triển các trạm vũ trụ thương mại nhằm thay thế ISS, trong khi những công ty khác chế tạo phòng thí nghiệm và thiết bị chuyên dụng để tiến hành thí nghiệm trên quỹ đạo. Trong số đó có BioOrbit của Anh. Công ty gần đây đã đưa một phòng thí nghiệm có kích thước tương đương lò vi sóng lên ISS, hướng tới mục tiêu phát triển công nghệ sản xuất thuốc điều trị ung thư dạng tự tiêm.
Dù vậy, đối với sản xuất quy mô lớn và một số quy trình công nghiệp, việc đưa con người ra khỏi dây chuyền có thể mang lại nhiều lợi ích. Theo Christian, con người có thể tạo ra bụi bẩn, rung động và làm phát sinh những yêu cầu nghiêm ngặt hơn về an toàn. Những yếu tố này đều có khả năng ảnh hưởng đến các quy trình đòi hỏi độ chính xác cao.
Đây là lý do Varda phát triển các nhà máy tự hành, được công ty gọi là những "cỗ máy bay tự do". Chúng được đưa lên quỹ đạo bằng tên lửa SpaceX, mang theo các phòng thí nghiệm thu nhỏ để xử lý vật liệu mà không cần phi hành gia trực tiếp tham gia.
Sau khi hoàn tất thí nghiệm, khoang chứa sản phẩm sẽ tách khỏi tàu vũ trụ, đi vào khí quyển với tốc độ cao rồi bung dù để hạ cánh xuống một khu vực không có người sinh sống trên Trái Đất. Nhờ đó, vật liệu được sản xuất trong không gian có thể được đưa trở lại mặt đất để kiểm tra và sử dụng.
Khả năng tiến hành thí nghiệm thường xuyên có ý nghĩa đặc biệt quan trọng đối với quá trình phát triển thuốc. Michael Reilly, Giám đốc chiến lược của Varda, cho rằng việc các nhà khoa học phải chờ đợi một năm, thậm chí 10 năm giữa các lần thử nghiệm, không phù hợp với tốc độ phát triển dược phẩm hiện đại.
Ngành sản xuất trong không gian vẫn phải vượt qua nhiều rào cản
Trong khi Varda tập trung vào lĩnh vực dược phẩm, những doanh nghiệp khác đang tìm cách sản xuất các loại vật liệu công nghệ cao trên quỹ đạo.
Space Forge, công ty có trụ sở tại Cardiff (xứ Wales), đang nghiên cứu một phương pháp kết hợp: nuôi cấy các tinh thể bán dẫn trên tàu vũ trụ, sau đó đưa chúng trở lại Trái Đất để làm khuôn mẫu cho quá trình sản xuất số lượng lớn hơn. Cách làm này tương tự việc sử dụng men cái để tạo ra những mẻ bánh mì lên men tiếp theo.
Tàu vũ trụ đầu tiên của công ty, ForgeStar-1, gần đây đã thử nghiệm thành công một số quy trình cần thiết để tạo ra các tấm wafer mầm bán dẫn. Tuy nhiên, con tàu vẫn chưa hoàn tất toàn bộ quy trình sản xuất và đưa vật liệu thành phẩm trở về Trái Đất.
Andrew Bacon, đồng sáng lập kiêm Giám đốc công nghệ Space Forge, cho biết công ty hy vọng có thể chứng minh đầy đủ quy trình này trước năm 2030.
Ông nhận định những diễn biến gần đây, trong đó có các chuyến bay của Varda, cho thấy sản xuất trong không gian đang tiến gần đến một bước ngoặt. Nếu như khi Space Forge bắt đầu hoạt động vào năm 2018, rất ít người quan tâm đến lĩnh vực này, thì hiện nay ngày càng nhiều doanh nghiệp xem đây là một thị trường tiềm năng.
Sự lạc quan của ngành phần nào xuất phát từ chi phí phóng tên lửa giảm và số chuyến bay thương mại ngày càng tăng. Việc sản xuất trên quỹ đạo vẫn đối mặt với những thách thức lớn, đặc biệt là chứng minh lợi ích thu được có đủ bù đắp chi phí hay không.
Christian nhấn mạnh mô hình này không phù hợp với mọi loại sản phẩm. Các doanh nghiệp cần xác định những ứng dụng có giá trị cao, trong đó lợi thế của môi trường vi trọng lực đủ lớn để biện minh cho khoản đầu tư.
