Эксперимент MOXIE надежно производит кислород на Марсе

На красной и пыльной поверхности Марса, почти в 100 миллионах миль от Земли, инструмент размером с коробку для завтрака доказывает, что он может надежно выполнять работу небольшого дерева.

Проводимый Массачусетским технологическим институтом эксперимент по использованию ресурсов кислорода на месте, или MOXIE, успешно производил кислород из атмосферы Красной планеты, богатой углекислым газом, с февраля 2021 года, когда он приземлился на поверхности Марса в рамках миссии марсохода НАСА «Настойчивость». .

В исследовании, опубликованном в журнале Science Advances, исследователи сообщают, что к концу 2021 года MOXIE смог производить кислород в ходе семи экспериментальных запусков в различных атмосферных условиях, в том числе днем ​​и ночью, и в разные марсианские сезоны. . При каждом запуске прибор достиг своей цели по производству шести граммов кислорода в час — примерно столько же производит скромное дерево на Земле.

Исследователи предполагают, что увеличенная версия MOXIE может быть отправлена ​​на Марс перед человеческой миссией, чтобы непрерывно производить кислород со скоростью нескольких сотен деревьев. При такой мощности система должна генерировать достаточно кислорода, чтобы как поддерживать людей после их прибытия, так и заправлять ракету для возвращения астронавтов обратно на Землю.

На данный момент стабильная производительность MOXIE является многообещающим первым шагом к этой цели.

«Мы узнали огромное количество информации, которая будет использоваться в будущих системах в более широком масштабе», — говорит Майкл Хехт, главный исследователь миссии MOXIE в обсерватории Хейстек Массачусетского технологического института.

Производство кислорода MOXIE на Марсе также представляет собой первую демонстрацию «использования ресурсов на месте», которая заключается в сборе и использовании материалов планеты (в данном случае углекислого газа на Марсе) для производства ресурсов (таких как кислород), которые будут в противном случае их придется транспортировать с Земли.

«Это первая демонстрация фактического использования ресурсов на поверхности другого планетарного тела и их химического преобразования во что-то, что было бы полезно для человеческой миссии», — говорит заместитель главного исследователя MOXIE Джеффри Хоффман, профессор практики в отделе Массачусетского технологического института. аэронавтики и космонавтики. «Это исторично в этом смысле».

В число соавторов Хоффмана и Хехта из Массачусетского технологического института входят члены команды MOXIE Джейсон СуХу, Эндрю Лю, Эрик Хинтерман, Майя Наср, Шраван Харихаран и Кайл Хорн, а также сотрудники из нескольких учреждений, включая Лабораторию реактивного движения НАСА, которая руководила разработкой MOXIE, программным обеспечением для полетов, упаковка и тестирование перед запуском.

Сезонно

Текущая версия MOXIE имеет небольшой размер, чтобы поместиться на борту марсохода Perseverance, и предназначена для работы в течение коротких периодов времени, запускаясь и выключаясь при каждом запуске, в зависимости от графика исследований марсохода и задач миссии. Напротив, полномасштабный кислородный завод будет включать в себя более крупные блоки, которые в идеале будут работать непрерывно.

Несмотря на необходимые компромиссы в текущей конструкции MOXIE, прибор показал, что он может надежно и эффективно преобразовывать атмосферу Марса в чистый кислород. Он делает это, сначала втягивая марсианский воздух через фильтр, который очищает его от загрязняющих веществ. Затем воздух подвергается давлению и проходит через твердооксидный электролизер (SOXE), прибор, разработанный и изготовленный OxEon Energy, который электрохимически расщепляет воздух, богатый углекислым газом, на ионы кислорода и монооксид углерода.

Затем ионы кислорода выделяются и рекомбинируются с образованием пригодного для дыхания молекулярного кислорода или O _{2 .} , количество и чистоту которого MOXIE затем измеряет перед безвредным выбросом обратно в воздух вместе с окисью углерода и другими атмосферными газами.

С момента приземления марсохода в феврале 2021 года инженеры MOXIE запускали прибор семь раз в течение марсианского года, и каждый раз требовалось несколько часов для прогрева, затем еще час для получения кислорода, прежде чем снова отключить питание. Каждый запуск был запланирован на разное время дня или ночи и в разное время года, чтобы увидеть, сможет ли MOXIE приспособиться к изменениям атмосферных условий планеты.

«Атмосфера Марса гораздо более изменчива, чем Земля», — отмечает Хоффман. «Плотность воздуха может меняться в два раза в течение года, а температура может меняться на 100 градусов. Одна из целей — показать, что мы можем бегать в любое время года».

На данный момент MOXIE показал, что он может производить кислород практически в любое время марсианского дня и года.

«Единственное, что мы не продемонстрировали, — это бег на рассвете или в сумерках, когда температура существенно меняется», — говорит Хект. «У нас есть туз в рукаве, который позволит нам это сделать, и как только мы проверим это в лаборатории, мы сможем достичь этого последнего рубежа, чтобы показать, что мы действительно можем работать в любое время».

В преддверии игры

Поскольку MOXIE продолжает вырабатывать кислород на Марсе, инженеры планируют увеличить его мощность и производство, особенно марсианской весной, когда плотность атмосферы и уровень углекислого газа высоки.

«Следующий запуск будет во время самой высокой плотности в году, и мы просто хотим получить как можно больше кислорода», — говорит Хехт. «Поэтому мы установим все так высоко, как мы осмелимся, и пусть это работает так долго, как мы можем».

Они также будут контролировать систему на наличие признаков износа. Поскольку MOXIE — это всего лишь один из нескольких экспериментов на борту марсохода Perseverance, он не может работать непрерывно, как полномасштабная система. Вместо этого прибор должен запускаться и выключаться при каждом запуске — термическая нагрузка, которая со временем может привести к ухудшению состояния системы.

Если MOXIE может успешно работать, несмотря на постоянное включение и выключение, это означает, что полномасштабная система, предназначенная для непрерывной работы, может работать в течение тысяч часов.

«Чтобы поддержать миссию человека на Марс, нам нужно привезти с Земли много вещей, таких как компьютеры, скафандры и жилые помещения», — говорит Хоффман. «Но тупой старый кислород? Если вы можете сделать это там, дерзайте — вы намного впереди игры».

Это исследование было частично поддержано НАСА.