Den 30 juli, en två veckor lång möjlighet öppnas för Perseverance – den nyaste Mars-roveren, skapad i en anda av mänsklig nyfikenhet – att börja sin resa mot den röda planeten med en uppskjutning från Cape Canaveral Space Launch Center på den östra Floridas kust. Med hjälp av MIT, Detta senaste NASA-uppdrag kommer att bygga på arvet från sina föregångare i laboratoriet och gräva djupare än någonsin i frågor om livet på Mars.

I sitt nuvarande tillstånd, Mars är ogästvänlig; ytan är dammig, och det enda tillgängliga vattnet är fruset nära polerna, djupt under jorden, eller så hårt bunden till jorden att den måste tillagas i en ugn för att extrahera den. Luften andas inte, och den tunna atmosfären tillåter oroande strålningsnivåer samtidigt som en medeltemperatur på -81 grader Fahrenheit bibehålls. En gång i det förflutna, dock, det kan ha sett mycket mer ut som jorden, och kan ha varit mer hållbar för livet.

Målen med Perseverance – en signaturkomponent i det större Mars 2020-uppdraget – är att utforska frågor om denna tidigare beboelighet, att karakterisera miljön, och att hjälpa till att bana väg för framtida mänsklig utforskning. Ett av sju experiment som färdas på rover kommer specifikt att behandla framtida mänskliga uppdrag till Mars:MOXIE, förkortning för Mars OXygen In situ resursanvändningsexperiment, kommer att hjälpa oss att förbereda oss för de första uppdragen genom att visa att vi kan göra vårt eget syre på Mars för att använda för raketdrivmedel och för besättningen att andas när astronaututforskare anländer dit. MOXIE föreslogs och utvecklades genom ett samarbete mellan forskare vid MIT:s Haystack Observatory och MIT Department of Aeronautics and Astronautics (AeroAstro), tillsammans med ingenjörer vid NASA Jet Propulsion Laboratory (JPL).

MIT är väl representerat även i andra delar av uppdraget. Uthållighet kommer att bära ett sofistikerat system för att välja, kärna ur, cachning, och bevara sten- och jordprover för att en dag föra tillbaka till jorden. Docent i geobiologi Tanja Bosak och professor i planetvetenskap Ben Weiss, båda från MIT Department of Earth, Atmosfärisk, och planetära vetenskaper (EAPS), är deltagande forskare som kommer att arbeta med detta system för att hjälpa till att välja vilka prover från Mars-ytan som ska samlas in och analyseras. Och Ariel Ekblaw, en doktorand i mediekonst och vetenskap och grundare och ledare för MIT Media Lab Space Exploration Initiative, bidragit till ett roverexperiment under en sommar på JPL som kommer att söka efter bevis på tidigare mikrober.

Det lilla mekaniska trädet

I filmen The Martian från 2015, när astronauten Mark Watney (spelad av Matt Damon) lämnades strandsatt på Mars, han lyckades överleva tillräckligt länge för att koordinera ett mötes-räddningsuppdrag med sin besättning genom att leva utanför den röda planetens land. Detta är grundprincipen bakom resursanvändning på plats, eller ISRU, och MOXIE representerar ett viktigt första steg i att förverkliga ISRU för framtida Mars-utforskare.

"Du behöver inte bara syre för att människor ska kunna andas, men du behöver det för att raketen ska kunna andas också. Om du bränner bränsle, du behöver syre för att konsumera det, säger Michael Hecht, MOXIE:s huvudutredare och forskningschef vid MIT Haystack Observatory i Westford, Massachusetts. "Det finns en anledning till varför syrgastankar är de tyngsta föremålen på ett rymdflygsmanifest."

Uppskjutningar förbrukar mycket bränsle:Att driva en rymdfarkost för att lämna jordens gravitationskraft kräver mycket energi, och att återvända tillbaka till jorden kräver att man gör om allt igen. Vad mer, de tunga tankarna som krävs för att transportera syret som behövs för ett givet uppdrag tar upp värdefull egendom i en noggrant kalibrerad rymdfarkost. Det är här ISRU-metoden kommer in.

"Istället för att ta det med oss, varför inte bara göra det när vi kommer dit som vi behöver det?" Hecht säger. "Syre finns på Mars, bara inte i en form vi kan använda den. Så det var problemet vi försökte lösa med MOXIE."

En potentiell källa till syre är is som finns under Mars yta. Men att bryta denna is skulle kräva komplexa maskiner, och den fysiska handlingen att gräva och borra skulle orsaka betydande slitage på utrustning, vilket är ett problem när en reparationsperson är en planet borta. Tack och lov, det fanns en annan potentiell resurs som teamet kan utnyttja för att generera syre:atmosfären.

"Med gruvmetoden, du måste bryta isen, förfina och bearbeta det för att frigöra syret, och ta tillbaka det, vilket bara inte är något vi kan göra robotiskt, speciellt inom våra utrymmesbegränsningar, " säger Hecht. "Jag ville hitta ett mycket enklare tillvägagångssätt. Mars atmosfär består av cirka 96 procent koldioxid, så vi byggde ett litet mekaniskt träd, för det är mycket lättare än att bygga en miniatyr, fristående gruvbolag."

MOXIE:s mål:samla upp koldioxiden som finns i Marsluften, omvandla det till syre, och mäta syrets renhet. Efter att ha dragit in marsluft, systemet filtrerar bort damm, komprimerar det, och matar sedan in den i Solid OXide Electrolyzer (SOXE), nyckelelementet som tar koldioxid under tryck och använder en kombination av elektricitet och kemi för att dela molekylen i syre och kolmonoxid. Syrets renhet analyseras, och sedan släpps syret tillbaka till Mars atmosfär.

För närvarande, planen är att utföra minst 10 syreproducerande körningar under hela uppdraget under så många olika säsongs- och miljöförhållanden som möjligt. På grund av den intensiva mängd energi som krävs för att köra MOXIE-experimentet, teamet kommer att samordna med de andra forskarna, som kommer att behöva stänga av under MOXIES flera timmars körtid, och vänta sedan under större delen av en marsdag (kallad sol) på att Perseverances batterier ska laddas. Data kommer att skickas tillbaka till ett labb på MIT:s campus, där MOXIE:s prestanda kommer att analyseras.

Sammansättning av laget

Under 2013, NASA lade ut en uppmaning till förslag för syregenererande experiment för 2020 års rover inom specifika parametrar. Trots att han arbetade med Phoenix Mars Lander-uppdraget under sin 30-åriga tjänst vid JPL, när Hecht flyttade till sin nuvarande position vid MIT Haystack Observatory 2012, han förväntade sig inte att vara en "Mars-kille" längre - han trodde att han var klar med Mars för gott. Men hans tidigare JPL-kollegor höll inte med och bad honom leda experimentet som huvudutredare. Enligt Hecht, även efter att han skrivit på, han trodde att projektförslaget var ett långt skott, men i juli 2014, han och hans kollegor fick besked om att de landade projektet.

"Forskare vid andra NASA-laboratorier hade ett stort försprång och mycket tekniskt arv. MOXIES val var en stor överraskning för mig, " säger Hecht. "Eftersom detta uppdrag har ett människocentrerat fokus, Jag visste att vi var tvungna att skapa verklig trovärdighet hos den mänskliga utforskningsgemenskapen, att vi inte bara letade efter en ursäkt för att göra lite intressant vetenskap. Så, hur övertygar vi dem om att vi är på riktigt och att vi vill hjälpa till med mänsklig utforskning? Det tog mig ungefär fem minuter att tänka på Jeff Hoffman."

Hoffman, en professor i praktiken vid MIT AeroAstro, vet säkert ett och annat om mänskligt rymdutforskning. Han loggade fyra rymdvandringar på sina fem rymdfärder under sin karriär som NASA-astronaut – inklusive det första räddnings-/återställningsuppdraget för att reparera Hubble Space Telescope 1993.

Förutom Hoffmans omfattande erfarenhet av mänsklig rymdfärd, han delade en annan koppling med Hecht:Hecht var Hoffmans första doktorandrådgivare som ny MIT-forskare innan han kallades in för att gå in på astronautprogrammet 1978 och göra en karriär hos NASA. Han återvände till MIT-fakulteten 2001, och förutom att vara biträdande huvudutredare på MOXIE, han leder Human Systems Lab vid MIT och undervisar i kurser om mänskliga rymdfärdssystem.

"Det är en fantastisk upplevelse att samarbeta med en före detta doktorand som kollegor, speciellt på ett projekt som MOXIE eftersom det visar hur viktiga doktorander är för forskningsprocessen i en berättelse som kommer hela cirkeln, " säger Hoffman. "Det är inte bara doktorander som utför det dagliga arbetet med ett projekt, men vi utvecklar också nästa generation av människor som kommer att fortsätta utforskandet av inte bara Mars, men hela solsystemet."

AeroAstro Ph.D. eleverna Eric Hinterman SM '18 och Maya Nasr '18 har varit med i MOXIE-teamet sedan 2016, när Hinterman arbetade med sin masterexamen och Nasr utförde ett MOXIE-relaterat forskningsprojekt som junior i flygteknik och astronautik.

För hennes masteruppsats, Nasr fokuserade på att kalibrera sensorerna i MOXIE-enheten genom att utföra experiment under olika tryck och temperaturer och förhållanden som efterliknar miljön på Mars. Målet med hennes masters arbete var att förstå hur sensorerna kan bete sig annorlunda i en miljö som den på Mars, och att kalibrera dem därefter så att de skulle skicka tillbaka korrekta data under uppdraget. Hennes Ph.D. Arbetet kommer att fokusera på att bearbeta och analysera både MOXIE experimentella laboratoriedata och telemetridata som kommer att skickas tillbaka från Mars, vilket kommer att hjälpa till att avgöra hur väl enheten fungerar vid sin uppgift att extrahera syre.

"För mig personligen, det betyder mycket att arbeta med det här projektet och det är fantastiskt att lanseringen redan sker. Jag växte upp i Libanon och minns att jag såg Curiosity Rover landa, och vid den tiden var NASAs JPL-direktör Dr Charles Elachi, som ursprungligen är libanes, " säger Nasr. "Att se honom i uppdragskontroll fick mig att inse att det var möjligt att vara en del av ett Mars-uppdrag, och det är en av anledningarna till att jag sökte till MIT."

Den nyaste medlemmen i MOXIE-teamet är AeroAstro masterstudent Justine Schultz, som gick med sen våren 2020. Schultz, som också arbetar heltid på General Electric, kommer att fokusera sitt examensarbete på att konstruera en detaljerad termisk modell av MOXIE.

Vad finns i ett namn?

Eftersom "Mars OXygen In situ resursanvändningsexperiment" är en munfull, Hecht ville bli kreativ med projektnamnet. Den första inspirationen kommer från Moxie soda, som uppfanns i Massachusetts på 1800-talet som en nervlugnande tonic. När företaget blandade det med sodavatten för extra kolsyra, den började flyga från hyllorna och blev en av de första masstillverkade läskarna i USA.

Förutom den lokala kopplingen och koldioxidens viktiga roll i Moxie sodas framgångssaga, Hecht tyckte att innebörden bakom ordet som blivit en del av vårt kulturlexikon passade särskilt väl in i projektet. Merriam-Webster definierar "moxie" som "energi, pepp, mod, bestämning, och know-how." Den djupare innebörden blev ännu mer relevant när världen brottades med en farlig global pandemi med mållinjen i sikte.

"Situationen med coronavirus orsakade säkert vissa förseningar från där vi trodde att vi skulle vara, men tack och lov har det aldrig äventyrat uppdraget. Trots vissa motgångar, vi kunde svänga och anpassa oss för att hålla lanseringen på rätt spår, " sa Hecht. "Men COVID-19 var förbannad, vi lanserar denna rover."

Uppskjutningsfönstret är en viktig faktor eftersom det markerar den tidsperiod då jordens omloppsbana runt solen är i linje med Mars på ett sådant sätt att en raket kan följa en flygbana som att byta fil på en motorväg för att träffa sitt mål landningspunkt på Mars Jezero-krater. Fönstret stänger den 15 augusti, och kommer inte att öppna igen på 26 månader till.

"Även om det kommer att vara tråkigt att inte ha den där stunden av firande personligen tillsammans, det kritiska är att vi kommer att komma upp på ytan Mars och producera syre, som vi kommer att göra online hemifrån, " säger Hoffman. "När man tittar på allt som har hänt under de senaste månaderna och alla människor som har arbetat hårt för att göra Mars 2020 redo för lansering trots att världen runt oss har stängt, Jag är glad att vi gick med namnet Perseverance eftersom att hänga där och hålla ut med uppdraget har blivit namnet på spelet."