Na czerwonej i zakurzonej powierzchni Marsa, prawie 100 milionów mil od Ziemi, instrument wielkości pudełka na lunch udowadnia, że może niezawodnie wykonywać pracę małego drzewa.
Prowadzony przez MIT Mars Oxygen In-Situ Resource Utilization Experiment (MOXIE) z powodzeniem wytwarza tlen z bogatej w dwutlenek węgla atmosfery Czerwonej Planety od lutego 2021 roku, kiedy to wylądował na powierzchni Marsa w ramach misji łazika Perseverance NASA .
W badaniu opublikowanym w czasopiśmie Science Advances naukowcy podają, że do końca 2021 r. MOXIE był w stanie wytwarzać tlen w siedmiu eksperymentalnych cyklach, w różnych warunkach atmosferycznych, w tym w dzień i w nocy, oraz w różnych porach roku na Marsie. . W każdym przebiegu instrument osiągnął swój cel produkcji sześciu gramów tlenu na godzinę – mniej więcej w tempie skromnego drzewa na Ziemi.
Naukowcy przewidują, że powiększona wersja MOXIE mogłaby zostać wysłana na Marsa przed misją człowieka, aby nieprzerwanie wytwarzać tlen w tempie kilkuset drzew. Przy takiej pojemności system powinien generować wystarczającą ilość tlenu, aby utrzymać ludzi po ich przybyciu, a także napędzać rakietę, która zawróci astronautów z powrotem na Ziemię.
Jak dotąd stały wynik MOXIE jest obiecującym pierwszym krokiem w kierunku tego celu.
„Nauczyliśmy się ogromnej ilości informacji, która wpłynie na przyszłe systemy na większą skalę”, mówi Michael Hecht, główny badacz misji MOXIE w Obserwatorium Haystack MIT.
Produkcja tlenu przez MOXIE na Marsie stanowi również pierwszą demonstrację „wykorzystania zasobów in-situ”, co jest ideą zbierania i wykorzystywania materiałów planety (w tym przypadku dwutlenku węgla na Marsie) do wytwarzania zasobów (takich jak tlen), które byłyby inaczej muszą być przetransportowane z Ziemi.
„To pierwsza demonstracja rzeczywistego wykorzystania zasobów na powierzchni innego ciała planetarnego i przekształcenia ich chemicznie w coś, co byłoby przydatne w ludzkiej misji”, mówi zastępca głównego badacza MOXIE, Jeffrey Hoffman, profesor praktyki w Wydziale MIT. Aeronautyki i Astronautyki. „W tym sensie jest historyczny”.
Współautorami Hoffmana i Hechta z MIT są członkowie zespołu MOXIE: Jason SooHoo, Andrew Liu, Eric Hinterman, Maya Nasr, Shravan Hariharan i Kyle Horn, a także współpracownicy z wielu instytucji, w tym NASA’s Jet Propulsion Laboratory, które zarządzało rozwojem MOXIE, oprogramowaniem do lotu, pakowanie i testowanie przed uruchomieniem.
Sezonowo włączony
Obecna wersja MOXIE jest niewielka z założenia, aby zmieścić się na pokładzie łazika Perseverance i jest zbudowana do pracy przez krótkie okresy, uruchamiając się i wyłączając przy każdym przejeździe, w zależności od harmonogramu eksploracji łazika i obowiązków związanych z misją. W przeciwieństwie do tego, fabryka tlenu na pełną skalę zawierałaby większe jednostki, które idealnie pracowałyby w sposób ciągły.
Pomimo niezbędnych kompromisów w obecnym projekcie MOXIE, instrument wykazał, że może niezawodnie i wydajnie przekształcać atmosferę Marsa w czysty tlen. Robi to, najpierw wciągając marsjańskie powietrze przez filtr, który oczyszcza je z zanieczyszczeń. Powietrze jest następnie sprężane i przesyłane przez elektrolizer tlenków stałych (SOXE), instrument opracowany i zbudowany przez OxEon Energy, który elektrochemicznie dzieli powietrze bogate w dwutlenek węgla na jony tlenu i tlenek węgla.
Jony tlenu są następnie izolowane i rekombinowane, tworząc oddychający tlen cząsteczkowy lub O2, który MOXIE następnie mierzy ilość i czystość przed uwolnieniem go nieszkodliwie z powrotem do powietrza, wraz z tlenkiem węgla i innymi gazami atmosferycznymi.
Od czasu lądowania łazika w lutym 2021 r. inżynierowie MOXIE uruchamiali instrument siedem razy w ciągu roku marsjańskiego, za każdym razem kilka godzin na rozgrzanie, a następnie kolejną godzinę na wytworzenie tlenu przed ponownym wyłączeniem. Każdy bieg był zaplanowany na inną porę dnia lub nocy i na różne pory roku, aby sprawdzić, czy MOXIE może dostosować się do zmian warunków atmosferycznych planety.
„Atmosfera Marsa jest znacznie bardziej zmienna niż Ziemia” – zauważa Hoffman. „Gęstość powietrza może zmieniać się dwa razy w ciągu roku, a temperatura może zmieniać się o 100 stopni. Jednym z celów jest pokazanie, że możemy biegać o każdej porze roku”.
Jak dotąd MOXIE wykazał, że może wytwarzać tlen niemal o każdej porze dnia i roku na Marsie.
„Jedyna rzecz, której nie zademonstrowaliśmy, to bieganie o świcie lub o zmierzchu, kiedy temperatura znacznie się zmienia” – mówi Hecht. „Mamy asa w rękawie, który pozwoli nam to zrobić, a kiedy przetestujemy to w laboratorium, możemy osiągnąć ten ostatni kamień milowy, aby pokazać, że naprawdę możemy biegać w dowolnym momencie”.
Przed grą
Ponieważ MOXIE kontynuuje produkcję tlenu na Marsie, inżynierowie planują zwiększyć jego wydajność i zwiększyć produkcję, szczególnie w marsjańskiej wiośnie, kiedy gęstość atmosfery i poziom dwutlenku węgla są wysokie.
„Następna nadchodząca runda będzie miała miejsce podczas największej gęstości w roku, a my chcemy tylko wytworzyć jak najwięcej tlenu” – mówi Hecht. „Więc ustawimy wszystko tak wysoko, jak się odważymy, i pozwolimy temu działać tak długo, jak się da”.
Będą również monitorować system pod kątem oznak zużycia. Ponieważ MOXIE jest tylko jednym z kilku eksperymentów na pokładzie łazika Perseverance, nie może działać nieprzerwanie, jak zrobiłby to system na pełną skalę. Zamiast tego przyrząd musi uruchamiać się i wyłączać przy każdym uruchomieniu – stres termiczny, który może z czasem pogorszyć system.
Jeśli MOXIE może działać z powodzeniem pomimo wielokrotnego włączania i wyłączania, sugerowałoby to, że system na pełną skalę, zaprojektowany do ciągłej pracy, mógłby działać przez tysiące godzin.
„Aby wesprzeć ludzką misję na Marsa, musimy przywieźć wiele rzeczy z Ziemi, takich jak komputery, skafandry kosmiczne i habitaty” – mówi Hoffman. „Ale głupi stary tlen? Jeśli ci się tam uda, idź po to – jesteś daleko w czołówce”.
Badania te były częściowo wspierane przez NASA.