Med udholdenhed og lidt MOXIE, MIT skal til Mars

Den 30. juli et to ugers vindue åbner for Perseverance - den nyeste Mars-rover, smedet i en ånd af menneskelig nysgerrighed - for at begynde sin rejse mod den røde planet med en opsendelse fra Cape Canaveral Space Launch Center på den østlige Florida-kyst. Med MIT's hjælp, denne seneste NASA-mission vil bygge videre på arven fra sine omrejsende laboratorieforgængere og grave dybere end nogensinde før i spørgsmål om livet på Mars.

I sin nuværende tilstand, Mars er ugæstfri; overfladen er støvet, og det eneste tilgængelige vand er frosset nær polerne, dybt under jorden, eller så tæt bundet til jorden, at den skulle tilberedes i en ovn for at trække den ud. Luften er uåndbar, og den tynde atmosfære tillader bekymrende niveauer af stråling, mens den opretholder en gennemsnitstemperatur på -81 grader Fahrenheit. På et tidspunkt i fortiden, imidlertid, det kan have lignet meget mere Jorden, og kan have været mere bæredygtig for livet.

Målene for Perseverance - en signaturkomponent i den større Mars 2020-mission - er at udforske spørgsmål om denne tidligere beboelighed, at karakterisere miljøet, og for at hjælpe med at bane vejen for fremtidig menneskelig udforskning. Et af syv eksperimenter, der rejser på roveren, vil specifikt omhandle fremtidige menneskelige missioner til Mars:MOXIE, en forkortelse for Mars OXygen In situ ressourceudnyttelseseksperiment, vil hjælpe os med at forberede os til de første missioner ved at demonstrere, at vi kan lave vores egen ilt på Mars til brug for raketdrivstof og for besætningen til at trække vejret, når astronautforskere ankommer der. MOXIE blev foreslået og udviklet gennem et samarbejde mellem forskere ved MIT's Haystack Observatory og MIT Department of Aeronautics and Astronautics (AeroAstro), sammen med ingeniører ved NASA Jet Propulsion Laboratory (JPL).

MIT er også velrepræsenteret i andre aspekter af missionen. Vedholdenhed vil bære et sofistikeret system til at vælge, udboring, caching, og bevare sten- og jordprøver for en dag at bringe tilbage til Jorden. Lektor i geobiologi Tanja Bosak og professor i planetariske videnskaber Ben Weiss, begge fra MIT Department of Earth, Atmosfærisk, og Planetariske Videnskaber (EAPS), er deltagende videnskabsmænd, som vil arbejde med dette system for at hjælpe med at vælge, hvilke prøver fra Mars-overfladen, der skal indsamles og analyseres. Og Ariel Ekblaw, en kandidatstuderende i mediekunst og -videnskab og grundlægger og leder af MIT Media Lab Space Exploration Initiative, bidrog til et rover-eksperiment i løbet af en sommer på JPL, der vil søge efter beviser på tidligere mikrober.

Det lille mekaniske træ

I 2015-filmen The Martian, da astronaut Mark Watney (spillet af Matt Damon) blev efterladt strandet på Mars, han formåede at overleve længe nok til at koordinere en rendezvous-redningsmission med sit mandskab ved at leve af den røde planets land. Dette er det grundlæggende princip bag in situ ressourceudnyttelse, eller ISRU, og MOXIE repræsenterer et vigtigt første skridt i realiseringen af ​​ISRU for fremtidige Mars-udforskere.

"Ikke kun har du brug for ilt for at folk kan trække vejret, men du har brug for det, for at raketten også kan ånde. Hvis du brænder brændstof, du har brug for ilt for at forbruge det, " siger Michael Hecht, MOXIE hovedefterforsker og forskningsleder ved MIT Haystack Observatory i Westford, Massachusetts. "Der er en grund til, at ilttanke er de tungeste genstande på et rumflyvningsmanifest."

Opsendelser bruger meget brændstof:At drive et rumfartøj til at forlade jordens tyngdekraft kræver en masse energi, og at vende tilbage til Jorden kræver at gøre det hele igen. Hvad mere er, de tunge tanke, der kræves for at transportere den nødvendige ilt til en given mission, optager værdifuld ejendom i et omhyggeligt kalibreret rumfartøj. Det er her, ISRU-tilgangen kommer ind.

"I stedet for at tage det med os, hvorfor ikke bare lave det, når vi når dertil, som vi har brug for det?" Hecht siger. "Oxygen findes på Mars, bare ikke i en form, vi kan bruge det. Så det er det problem, vi forsøgte at løse med MOXIE."

En potentiel kilde til ilt er is, der findes under Mars-overfladen. Men at udvinde denne is ville kræve komplekst maskineri, og den fysiske handling med at grave og bore ville medføre betydeligt slid på udstyr, hvilket er et problem, når en reparationsperson er en planet væk. Heldigvis, der var en anden potentiel ressource, som holdet kan udnytte for at generere ilt:atmosfæren.

"Med minedriftstilgangen, du skal udvinde isen, forfine og behandle det for at frigive ilten, og bringe det tilbage, hvilket bare ikke er noget, vi kan gøre robotmæssigt, især inden for vores pladsbegrænsninger, " siger Hecht. "Jeg ville finde en meget enklere tilgang. Mars atmosfære er omkring 96 procent kuldioxid, så vi byggede et lille mekanisk træ, fordi det er meget nemmere end at bygge en miniature, selvstændigt mineselskab."

MOXIE's mål:opsamle den rigelige kuldioxid i Mars luft, omdanne det til ilt, og mål iltens renhed. Efter at have trukket Marsluft ind, systemet filtrerer støv fra, komprimerer det, og derefter føres det ind i Solid OXide Electrolyzer (SOXE), nøgleelementet, der tager tryksat kuldioxid og bruger en kombination af elektricitet og kemi til at opdele molekylet i oxygen og kulilte. Renheden af ​​oxygen analyseres, og så frigives ilten tilbage til Mars atmosfære.

I øjeblikket, planen er at udføre mindst 10 iltproducerende kørsler gennem hele missionen under så mange forskellige sæsonmæssige og miljømæssige forhold som muligt. På grund af den intense mængde energi, der kræves for at køre MOXIE-eksperimentet, holdet vil koordinere med de andre forskere, som bliver nødt til at slukke for MOXIE's flere timers køretid, og vent så det meste af en Mars-dag (kaldet en sol) på, at Perseverances batterier genoplades. Dataene vil blive sendt tilbage til et laboratorium på MIT's campus, hvor MOXIE's præstation vil blive analyseret.

Samling af holdet

I 2013 NASA udsendte en indkaldelse af forslag til iltgenererende eksperimenter til 2020-roveren inden for specifikke parametre. På trods af at han arbejdede på Phoenix Mars Lander-missionen under hans 30-årige embedsperiode på JPL, da Hecht flyttede til sin nuværende stilling ved MIT Haystack Observatory i 2012, han forventede ikke at være en "Mars-fyr" længere - han troede, han var færdig med Mars for altid. Men hans tidligere JPL-kolleger var uenige og bad ham lede eksperimentet som hovedefterforsker. Ifølge Hecht, selv efter at han skrev under, han mente, at projektforslaget var et langt skud, men i juli 2014, han og hans kolleger fik besked om, at de landede projektet.

"Forskere ved andre NASA-laboratorier havde et stort forspring og en masse teknologisk arv. MOXIE's valg var en kæmpe overraskelse for mig, " siger Hecht. "Da denne mission har et menneske-centreret fokus, Jeg vidste, at vi skulle skabe reel troværdighed hos det menneskelige udforskningssamfund, at vi ikke bare ledte efter en undskyldning for at lave noget interessant videnskab. Så, hvordan overbeviser vi dem om, at vi er rigtige, og at vi gerne vil hjælpe med menneskelig udforskning? Det tog mig omkring fem minutter at tænke på Jeff Hoffman."

Hoffman, en professor i praksis i MIT AeroAstro, ved helt sikkert en ting eller to om menneskelig udforskning af rummet. Han loggede fire rumvandringer på sine fem rumflyvninger i løbet af sin karriere som NASA-astronaut - inklusive den indledende rednings-/genopretningsmission for at reparere Hubble-rumteleskopet i 1993.

Ud over Hoffmans omfattende erfaring med menneskelig rumflyvning, han delte en anden forbindelse med Hecht:Hecht var Hoffmans første kandidatstuderende rådgiver som ny MIT-forsker, før han blev indkaldt til at deltage i astronautprogrammet i 1978 og forfølge en karriere hos NASA. Han vendte tilbage til MIT fakultetet i 2001, og ud over at være stedfortrædende hovedefterforsker på MOXIE, han leder Human Systems Lab på MIT og underviser i kurser om menneskelige rumfartssystemer.

"Det er en fantastisk oplevelse at samarbejde med en tidligere kandidatstuderende som kollegaer, især på et projekt som MOXIE, fordi det viser, hvor vigtige kandidatstuderende er for forskningsprocessen i en historie, der kommer i fuld cirkel, " siger Hoffman. "Ikke kun udfører kandidatstuderende det daglige arbejde på et projekt, men vi udvikler også den næste generation af mennesker, som vil fortsætte udforskningen af ​​ikke kun Mars, men hele solsystemet."

AeroAstro Ph.D. eleverne Eric Hinterman SM '18 og Maya Nasr '18 har været på MOXIE-holdet siden 2016, da Hinterman arbejdede på sin kandidatgrad, og Nasr udførte et MOXIE-relateret forskningsprojekt som junior i luftfart og astronautik.

Til hendes kandidatafhandling, Nasr fokuserede på at kalibrere sensorerne i MOXIE-enheden ved at udføre eksperimenter under forskellige tryk og temperaturer og forhold, der efterligner miljøet på Mars. Målet med hendes masters arbejde var at forstå, hvordan sensorerne kan opføre sig anderledes i et miljø som Mars, og at kalibrere dem i overensstemmelse hermed, så de ville sende nøjagtige data tilbage, mens de var på missionen. Hendes ph.d. arbejdet vil fokusere på at behandle og analysere både MOXIE eksperimentelle laboratoriedata og telemetridata, der vil blive sendt tilbage fra Mars, som vil hjælpe med at bestemme, hvor godt enheden fungerer ved dens opgave med at udvinde ilt.

"For mig personligt det betyder meget at arbejde på dette projekt, og det er utroligt, at lanceringen allerede sker. Jeg voksede op i Libanon og husker at se Curiosity Rover lande, og på det tidspunkt var NASA JPL-direktøren Dr. Charles Elachi, som oprindeligt er libaneser, " siger Nasr. "At se ham i missionskontrol fik mig til at indse, at det var muligt at være en del af en Mars-mission, og det er en af ​​grundene til, at jeg søgte ind på MIT."

Det nyeste medlem af MOXIE-teamet er AeroAstro masterstuderende Justine Schultz, som tiltrådte i det sene forår 2020. Schultz, som også arbejder fuld tid hos General Electric, vil fokusere sit kandidatarbejde på at konstruere en detaljeret termisk model af MOXIE.

Hvad er i et navn?

Da "Mars OXygen In situ ressourceudnyttelseseksperiment" er en mundfuld, Hecht ville være kreativ med projektnavnet. Den første inspiration kommer fra Moxie sodavand, som blev opfundet i Massachusetts i 1800-tallet som en nerve-beroligende tonic. Da virksomheden blandede det med sodavand for at tilføre kulsyre, det begyndte at flyve ned fra hylderne og blev en af ​​de første masseproducerede sodavand i U.S.A.

Ud over den lokale forbindelse og kuldioxidens vigtige rolle i Moxie sodavands succeshistorie, Hecht mente, at betydningen bag det ord, der er blevet en del af vores kulturelle leksikon, var særligt passende til projektet. Merriam-Webster definerer "moxie" som "energi, pep, mod, beslutsomhed, og knowhow." Den dybere mening blev endnu mere relevant, da verden kæmpede med en farlig global pandemi med målstregen i sigte.

"Situationen med coronavirus forårsagede helt sikkert nogle forsinkelser fra det sted, hvor vi troede, vi ville være, men heldigvis bragte det aldrig missionen i fare. På trods af nogle tilbageslag, vi var i stand til at dreje og tilpasse for at holde lanceringen på sporet, " sagde Hecht. "Men COVID-19 vær forbandet, vi lancerer denne rover."

Affyringsvinduet er en vigtig faktor, fordi det markerer det tidsrum, hvor Jordens kredsløb omkring solen er på linje med Mars på en sådan måde, at en raket kan følge en flyvebane som at skifte vognbane på en motorvej for at møde sit mål landingssted på Mars' Jezero-krater. Vinduet lukker den 15. august, og åbner ikke igen i yderligere 26 måneder.

"Selvom det vil være trist ikke at fejre det øjeblik personligt sammen, det kritiske er, at vi kommer op på overfladen af ​​Mars og producerer ilt, som vi vil gøre online hjemmefra, " siger Hoffman. "Når vi ser på alt, hvad der er sket i løbet af de sidste par måneder, og alle de mennesker, der har arbejdet hårdt for at gøre Mars 2020 klar til opsendelse på trods af, at verden omkring os lukker ned, Jeg er glad for, at vi gik med navnet Perseverance, fordi det er blevet navnet på spillet at hænge derinde og holde ud med missionen."