MOXIE – instrument wielkości pudełka produkuje tlen na Marsie!

Na czerwonej i pylistej powierzchni Marsa, prawie 100 milionów mil od Ziemi, instrument wielkości pudełka na lunch udowadnia, że może niezawodnie wykonywać pracę małego drzewa.

Prowadzony przez MIT eksperyment Mars Oxygen In-Situ Resource Utilization Experiment, czyli MOXIE, z powodzeniem wytwarza tlen z bogatej w dwutlenek węgla atmosfery Czerwonej Planety od lutego 2021 roku, kiedy to wylądował na powierzchni Marsa jako część misji łazika NASA Perseverance.

MOXIE spisuje się w różnych warunkach

W badaniu opublikowanym w czasopiśmie Science Advances naukowcy informują, że do końca 2021 roku MOXIE był w stanie wyprodukować tlen w siedmiu eksperymentalnych biegach, w różnych warunkach atmosferycznych, w tym w ciągu dnia i nocy oraz przez różne marsjańskie pory roku. W każdym przebiegu instrument osiągnął swój cel, jakim było wyprodukowanie 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 ludzką, aby stale produkować tlen w tempie kilkuset drzew. Przy takiej wydajności, system powinien generować wystarczającą ilość tlenu, aby zarówno utrzymać ludzi po ich przybyciu, jak i zasilić rakietę do powrotu astronautów na Ziemię.

Jak dotąd, stała produkcja MOXIE jest obiecującym pierwszym krokiem w kierunku tego celu.

„Nauczyliśmy się bardzo dużo, co będzie miało wpływ na przyszłe systemy na większą skalę” – mówi Michael Hecht, główny badacz misji MOXIE w MIT’s Haystack Observatory.

Produkcja tlenu przez MOXIE na Marsie stanowi również pierwszą demonstrację „wykorzystania zasobów in-situ”, czyli idei zbierania i wykorzystywania materiałów planety (w tym przypadku dwutlenku węgla na Marsie) do produkcji zasobów (takich jak tlen), które w przeciwnym razie musiałyby być transportowane z Ziemi.

„Jest to pierwsza demonstracja rzeczywistego wykorzystania zasobów na powierzchni innego ciała planetarnego i przekształcenia ich chemicznie w coś, co byłoby przydatne dla misji człowieka” – mówi zastępca głównego badacza MOXIE Jeffrey Hoffman, profesor praktyki na Wydziale Aeronautyki i Astronautyki MIT. „W tym sensie jest to historyczne”.

Współautorzy Hoffmana i Hechta z MIT to członkowie zespołu MOXIE: Jason SooHoo, Andrew Liu, Eric Hinterman, Maya Nasr, Shravan Hariharan i Kyle Horn, a także współpracownicy z wielu instytucji, w tym z Jet Propulsion Laboratory NASA, które zarządzało rozwojem MOXIE, oprogramowaniem lotniczym, pakowaniem i testowaniem przed startem.

MOXIE da rade w sezonie powietrznym

Obecna wersja MOXIE jest z założenia mała, aby zmieścić się na pokładzie łazika Perseverance, i jest zbudowana do pracy przez krótki czas, uruchamiając się i wyłączając przy każdym uruchomieniu, w zależności od harmonogramu eksploracji łazika i obowiązków misji. W przeciwieństwie do tego, pełnowymiarowa fabryka tlenu zawierałaby większe jednostki, które idealnie działałyby w sposób ciągły.

Pomimo koniecznych kompromisów w obecnym projekcie MOXIE, instrument pokazał, że może niezawodnie i wydajnie przekształcić atmosferę Marsa w czysty tlen. Robi to najpierw zasysając marsjańskie powietrze przez filtr, który oczyszcza je z zanieczyszczeń. Powietrze jest następnie poddawane ciśnieniu i przesyłane przez Solid OXide Electrolyzer (SOXE), instrument opracowany i zbudowany przez OxEon Energy, który elektrochemicznie rozdziela powietrze bogate w dwutlenek węgla na jony tlenu i tlenek węgla.

Jony tlenu są następnie izolowane i rekombinowane, tworząc nadający się do oddychania tlen cząsteczkowy, czyli O2, który MOXIE mierzy następnie pod względem ilości i czystości, zanim wypuści go nieszkodliwie z powrotem do powietrza, wraz z tlenkiem węgla i innymi gazami atmosferycznymi.

Od czasu lądowania łazika w lutym 2021 roku, inżynierowie MOXIE uruchomili instrument siedem razy w ciągu roku marsjańskiego, za każdym razem zajmując kilka godzin na rozgrzanie, a następnie kolejną godzinę na wytworzenie tlenu przed ponownym wyłączeniem zasilania. Każdy bieg został zaplanowany na inną porę dnia lub nocy, a także w różnych porach roku, aby sprawdzić, czy MOXIE może dostosować się do zmian w warunkach atmosferycznych planety.

„Atmosfera Marsa jest znacznie bardziej zmienna niż Ziemi” – zauważa Hoffman. „Gęstość powietrza może się zmieniać dwukrotnie w ciągu roku, a temperatura może się zmieniać o 100 stopni. Jednym z celów jest pokazanie, że możemy działać we wszystkich porach roku”.

Do tej pory MOXIE pokazało, że może wytwarzać tlen w niemal każdej porze marsjańskiego dnia i roku.

„Jedyną rzeczą, której nie zademonstrowaliśmy jest bieganie o świcie lub zmierzchu, kiedy temperatura znacząco się zmienia” – mówi Hecht. „Mamy asa w rękawie, który pozwoli nam to zrobić, a kiedy przetestujemy to w laboratorium, będziemy mogli osiągnąć ten ostatni kamień milowy, aby pokazać, że naprawdę możemy działać o każdej porze”.

Wyprzedzić grę

W miarę jak MOXIE będzie nadal produkować tlen na Marsie, inżynierowie planują zwiększyć jego możliwości i produkcję, szczególnie podczas marsjańskiej wiosny, kiedy gęstość atmosfery i poziom dwutlenku węgla są wysokie.

„Następny nadchodzący bieg będzie podczas największej gęstości w roku, a my chcemy po prostu zrobić tyle tlenu, ile się da”, mówi Hecht. „Więc ustawimy wszystko tak wysoko, jak tylko się odważymy, i pozwolimy mu działać tak długo, jak to możliwe”.

Będą również monitorować system pod kątem oznak zużycia. Ponieważ MOXIE jest tylko jednym z kilku eksperymentów na pokładzie łazika Perseverance, nie może działać bez przerwy, jak w przypadku pełnowymiarowego systemu. Zamiast tego instrument musi się uruchamiać i wyłączać przy każdym uruchomieniu – jest to stres termiczny, który może z czasem doprowadzić do degradacji systemu.

Jeśli MOXIE może działać z powodzeniem pomimo wielokrotnego włączania i wyłączania, sugerowałoby to, że pełnowymiarowy system, zaprojektowany do ciągłej pracy, mógłby to robić przez tysiące godzin.

„Aby wesprzeć ludzką misję na Marsa, musimy przywieźć z Ziemi wiele rzeczy, takich jak komputery, skafandry kosmiczne i habitaty” – mówi Hoffman. „Ale głupi, stary tlen? Jeśli możesz go tam wyprodukować, śmiało – jesteś o wiele przed konkurencją”.

Badania te były wspierane – częściowo – przez NASA.

Źródło: Massachusetts Institute of Technology. Jennifer Chu