Kredit:Pixabay/CC0 Public Domain
På den röda och dammiga ytan av Mars, nästan 100 miljoner miles från jorden, bevisar ett instrument i storleken av en matlåda att det på ett tillförlitligt sätt kan göra ett litet träds arbete.
Det MIT-ledda Mars Oxygen In-Situ Resource Utilization Experiment, eller MOXIE, har framgångsrikt gjort syre från den röda planetens koldioxidrika atmosfär sedan februari 2021, när den landade på Mars yta som en del av NASA:s Perseverance roveruppdrag .
I en studie publicerad i tidskriften Science Advances, forskare rapporterar att MOXIE i slutet av 2021 kunde producera syre på sju experimentella körningar, under en mängd olika atmosfäriska förhållanden, inklusive under dagen och natten, och under olika årstider på mars. I varje körning nådde instrumentet sitt mål att producera sex gram syre per timme – ungefär lika mycket som ett blygsamt träd på jorden.
Forskare föreställer sig att en uppskalad version av MOXIE skulle kunna skickas till Mars inför ett mänskligt uppdrag, för att kontinuerligt producera syre i en takt av flera hundra träd. Vid den kapaciteten borde systemet generera tillräckligt med syre för att både upprätthålla människor när de väl anländer, och bränsle till en raket för att återvända astronauter tillbaka till jorden.
Hittills är MOXIES stabila produktion ett lovande första steg mot det målet.
"Vi har lärt oss oerhört mycket som kommer att informera framtida system i större skala", säger Michael Hecht, chefsutredare för MOXIE-uppdraget vid MIT:s Haystack Observatory.
MOXIES syreproduktion på Mars representerar också den första demonstrationen av "in situ resursutnyttjande", vilket är idén om att skörda och använda en planets material (i det här fallet koldioxid på Mars) för att skapa resurser (som syre) som skulle annars måste transporteras från jorden.
"Detta är den första demonstrationen av att faktiskt använda resurser på ytan av en annan planetkropp och omvandla dem kemiskt till något som skulle vara användbart för ett mänskligt uppdrag", säger MOXIE biträdande huvudutredare Jeffrey Hoffman, professor i praktiken vid MIT:s avdelning av Aeronautics and Astronautics. "Det är historiskt i den meningen."
Hoffman och Hechts MIT-medförfattare inkluderar MOXIE-teammedlemmarna Jason SooHoo, Andrew Liu, Eric Hinterman, Maya Nasr, Shravan Hariharan och Kyle Horn, tillsammans med medarbetare från flera institutioner inklusive NASA:s Jet Propulsion Laboratory, som hanterade MOXIES utveckling, flygprogramvara, förpackning och testning före lansering.
Säsongens luft
Den nuvarande versionen av MOXIE är liten till sin design, för att passa ombord på Perseverance-rovern, och är byggd för att köras under korta perioder, starta och stänga av med varje körning, beroende på roverns utforskningsschema och uppdragsansvar. Däremot skulle en fullskalig syrefabrik innehålla större enheter som helst skulle köras kontinuerligt.
Trots de nödvändiga kompromisserna i MOXIES nuvarande design har instrumentet visat att det på ett tillförlitligt och effektivt sätt kan omvandla Mars atmosfär till rent syre. Den gör det genom att först dra in Marsluften genom ett filter som renar den från föroreningar. Luften trycksätts sedan och skickas genom Solid OXide Electrolyzer (SOXE), ett instrument utvecklat och byggt av OxEon Energy, som elektrokemiskt delar upp den koldioxidrika luften till syrejoner och kolmonoxid.
Syrejonerna isoleras sedan och rekombineras för att bilda andningsbart, molekylärt syre eller O2 , som MOXIE sedan mäter för kvantitet och renhet innan den släpper tillbaka den ofarligt i luften, tillsammans med kolmonoxid och andra atmosfäriska gaser.
Sedan roverns landning i februari 2021 har MOXIE-ingenjörer startat upp instrumentet sju gånger under hela marsåret, varje gång det tagit några timmar att värma upp, sedan ytterligare en timme för att göra syre innan det stängs av igen. Varje löptur var schemalagd för en annan tid på dagen eller natten, och under olika årstider, för att se om MOXIE kunde ta emot förändringar i planetens atmosfäriska förhållanden.
"Mars atmosfär är mycket mer varierande än jorden," konstaterar Hoffman. "Luftens täthet kan variera med en faktor två under året, och temperaturen kan variera med 100 grader. Ett mål är att visa att vi kan springa under alla årstider."
Hittills har MOXIE visat att den kan producera syre nästan när som helst på Marsdagen och året.
"Det enda vi inte har visat är att springa i gryning eller skymning, när temperaturen förändras avsevärt," säger Hecht. "Vi har ett ess i rockärmen som låter oss göra det, och när vi testar det i labbet kan vi nå den sista milstolpen för att visa att vi verkligen kan springa när som helst."
Inför spelet
När MOXIE fortsätter att ta ut syre på Mars planerar ingenjörer att öka dess kapacitet och öka dess produktion, särskilt under våren på mars, när atmosfärens densitet och koldioxidnivåerna är höga.
"Nästa körning kommer att vara under årets högsta densitet, och vi vill bara göra så mycket syre vi kan", säger Hecht. "Så vi sätter allt så högt vi vågar, och låter det köra så länge vi kan."
De kommer också att övervaka systemet för tecken på slitage. Eftersom MOXIE bara är ett experiment bland flera ombord på Perseverance-rovern kan den inte köras kontinuerligt som ett fullskaligt system skulle göra. Istället måste instrumentet starta och stängas av vid varje körning – en termisk påkänning som kan försämra systemet med tiden.
Om MOXIE kan fungera framgångsrikt trots att den upprepade gånger slås på och av, skulle detta tyda på att ett fullskaligt system, utformat för att köras kontinuerligt, skulle kunna göra det i tusentals timmar.
"För att stödja ett mänskligt uppdrag till Mars måste vi ta med en massa saker från jorden, som datorer, rymddräkter och livsmiljöer," säger Hoffman. "Men dumt gammalt syrgas? Om du kan ta dig dit, gör det - du ligger långt före matchen." + Utforska vidare
