在離地球近1億英里的地方，在火星的紅色和塵土飛揚的表面，一個只有飯盒大小的儀器正在證明它能夠可靠地完成一棵小樹的工作。由麻省理工學院(MIT)領導的火星氧氣原位資源利用實驗(MOXIE)自2021年4月以來一直在成功地從紅色星球富含二氧化碳的大氣中生產氧氣。
那是在它作為NASA“毅力號”探測器和Mars 2020任務的一部分在火星表面着陸后約兩個月。
在當地時間8月31日發表在《Science Advances》上的一項研究中，研究人員報告稱，等到2021年底，MOXIE能在七個實驗運行中產生氧氣。這些都是在各種大氣條件下進行的–包括在白天和晚上–以及在不同的火星季節。在每次實驗運行中，該儀器達到了每小時生產6克氧氣的目標。這約是地球上一棵普通的樹的速率。
科學家們設想，一個放大版的MOXIE可以在人類任務之前被送往火星，在那裡它可以以幾百棵樹的速度連續生產氧氣。在這種能力下，該系統應生產足夠的氧氣來維持人類到達后的生活並為宇航員返回地球的火箭提供燃料。
到目前為止，MOXIE的持續生產是朝着這一目標邁出的有希望的第一步。
MIT Haystack天文台MOXIE任務的高級研究人員Michael Hecht說道：“我們已經學到了大量的知識，這將為未來更大規模的系統提供參考。”
MOXIE在火星上的氧氣生產也代表了“原地資源利用”的首次展示。這是一個想法，即收穫和使用一個星球的原材料來製造資源如氧氣，否則就必須從地球運輸。
MOXIE副首席調查員Jeffrey Hoffman說道：“這是第一次實際利用另一個行星體表面的資源並將其化學地轉化為對人類任務有用的東西的演示。從這個意義上說，它是歷史性的。”
Hoffman和赫克特的MIT合著者包括MOXIE團隊成員Jason SooHoo、Andrew Liu、Eric Hinterman、Maya Nasr、Shravan Hariharan、Kyle Horn及來自多個機構的合作者–包括NASA噴氣推進實驗室(JPL)，該實驗室管理MOXIE的開發、飛行軟件、包裝和發射前測試。
季節性空氣
當前版本的MOXIE設計得很小以便裝在“毅力號”探測器上。它是為短期運行而建造的，每次運行都會啟動和關閉，具體則取決於火星車的探索時間表和任務責任。相比之下，一個全面的火星氧氣工廠將包括更大的裝置，最好是連續運行。
儘管MOXIE目前的設計有必要的限制，但該儀器已經表明它能夠有效和可靠地將火星的大氣轉化為純氧。它的做法是首先將火星空氣拉入一個過濾器以清除其中的污染物。然後空氣被加壓並被送入固體氧化物電解器(SOXE)。這個儀器由OxEon Energy開發和建造，並通過電化學方法將富含二氧化碳的空氣分離成氧離子和一氧化碳。
然後氧離子被分離並重新組合，然後形成可呼吸的分子氧(O2)。然後，MOXIE在將其跟一氧化碳和其他大氣氣體一起無害地釋放回空氣中之前對這種輸出的數量和純度進行測量。
自2021年2月漫遊車着陸以來，MOXIE的工程師們在整個火星一年中已經啟動了七次該儀器。每次它都需要幾個小時來預熱，然後再花一個小時來製造氧氣，然後再斷電。每次運行都被安排在白天或晚上的不同時間及不同的季節以檢查MOXIE是否能適應該星球大氣條件的變化。
Hoffman指出：“火星的大氣層比地球要多得多。空氣的密度在一年中可以變化2倍，溫度可以變化100度。一個目標是表明我們可以在所有的季節里運行。”
到目前為止，MOXIE已經證明，它幾乎可以在火星一天和一年的任何時間製造氧氣。
Hecht說道：“我們唯一沒有證明的是在黎明或黃昏時運行，那時溫度正在發生重大變化。我們確實有一張王牌可以讓我們做到這一點，一旦我們在實驗室進行測試我們就可以達到最後一個里程碑，屆時我們真的可以在任何時間運行。”
領先的遊戲
隨着MOXIE繼續在火星上產生氧氣，工程師們計劃提高其能力並增加其產量，特別是在火星的春天，此時大氣密度和二氧化碳水平很高。
“下一次運行將是在一年中密度最高的時候，我們只想儘可能多地製造氧氣，”Hecht說道，“所以我們會把一切都設置得儘可能高並讓它儘可能長地運行。”
他們還將監測該系統的磨損跡象。由於MOXIE只是“毅力號”上幾個實驗中的一個，它不能像一個完整規模的系統那樣連續運行。相反，該儀器必須在每次運行時啟動和關閉。這將導致熱應力並隨着時間的推移會使系統退化。
如果MOXIE能在反覆開啟和關閉的情況下成功運行，這將表明一個設計為連續運行的完整規模的系統可以連續運行數千小時。
Hoffman說道：“為了支持人類的火星任務，我們必須從地球上帶來很多東西如計算機、宇航服和棲息地。但愚蠢的舊氧氣？如果你能做到這一點，就去做吧–你已經在這場遊戲中領先。”