MOXIE-eksperiment producerer pålideligt ilt på Mars

På den røde og støvede overflade af Mars, næsten 100 millioner miles fra Jorden, beviser et instrument på størrelse med en madpakke, at det pålideligt kan udføre arbejdet som et lille træ.

Det MIT-ledede Mars Oxygen In-Situ Resource Utilization Experiment, eller MOXIE, har med succes lavet ilt fra den røde planets kuldioxid-rige atmosfære siden februar 2021, da den landede på Mars-overfladen som en del af NASAs Perseverance rover-mission .

I en undersøgelse offentliggjort i tidsskriftet Science Advances, forskere rapporterer, at MOXIE ved udgangen af ​​2021 var i stand til at producere ilt på syv eksperimentelle kørsler under en række forskellige atmosfæriske forhold, herunder om dagen og natten, og gennem forskellige årstider på Mars. I hver kørsel nåede instrumentet sit mål om at producere seks gram ilt i timen - omtrent som et beskedent træ på Jorden.

Forskere forestiller sig, at en opskaleret version af MOXIE kunne sendes til Mars forud for en menneskelig mission for kontinuerligt at producere ilt med en hastighed på flere hundrede træer. Ved den kapacitet skulle systemet generere nok ilt til både at opretholde mennesker, når de ankommer, og brænde en raket til at returnere astronauter tilbage til Jorden.

Indtil videre er MOXIEs stabile output et lovende første skridt mod dette mål.

"Vi har lært en enorm mængde, som vil informere fremtidige systemer i større skala," siger Michael Hecht, hovedefterforsker af MOXIE-missionen ved MIT's Haystack Observatory.

MOXIES iltproduktion på Mars repræsenterer også den første demonstration af "in-situ ressourceudnyttelse", som er ideen om at høste og bruge en planets materialer (i dette tilfælde kuldioxid på Mars) til at lave ressourcer (såsom oxygen), der ville ellers skal transporteres fra Jorden.

"Dette er den første demonstration af rent faktisk at bruge ressourcer på overfladen af ​​en anden planetarisk krop og omdanne dem kemisk til noget, der ville være nyttigt for en menneskelig mission," siger MOXIE vice-hovedforsker Jeffrey Hoffman, professor i praksis i MIT's afdeling af Aeronautik og Astronautik. "Det er historisk i den forstand."

Hoffman og Hechts MIT-medforfattere omfatter MOXIE-teammedlemmerne Jason SooHoo, Andrew Liu, Eric Hinterman, Maya Nasr, Shravan Hariharan og Kyle Horn, sammen med samarbejdspartnere fra flere institutioner, herunder NASAs Jet Propulsion Laboratory, som styrede MOXIEs udvikling, flyvesoftware, pakning og test før lancering.

Sæsonbestemt luft

Den nuværende version af MOXIE er lille af design, for at passe ombord på Perseverance roveren, og er bygget til at køre i korte perioder, starte op og lukke ned med hver kørsel, afhængigt af roverens udforskningsplan og missionsansvar. I modsætning hertil ville en fuldskala iltfabrik indeholde større enheder, der ideelt set ville køre kontinuerligt.

På trods af de nødvendige kompromiser i MOXIEs nuværende design, har instrumentet vist, at det pålideligt og effektivt kan omdanne Mars' atmosfære til ren ilt. Det gør den ved først at trække Mars-luften ind gennem et filter, der renser den for forurenende stoffer. Luften sættes derefter under tryk og sendes gennem Solid OXide Electrolyzer (SOXE), et instrument udviklet og bygget af OxEon Energy, der elektrokemisk spalter den kuldioxidrige luft til oxygenioner og kulilte.

Oxygenionerne isoleres derefter og rekombineres for at danne åndbar, molekylær oxygen eller O₂ , som MOXIE derefter måler for mængde og renhed, før den frigiver det uskadeligt tilbage i luften sammen med kulilte og andre atmosfæriske gasser.

Siden roverens landing i februar 2021, har MOXIE-ingeniører startet instrumentet syv gange i løbet af marsåret, hver gang det tager et par timer at varme op, derefter endnu en time at lave ilt, før det slukkes igen. Hvert løb var planlagt til et andet tidspunkt på dagen eller natten og på forskellige årstider for at se, om MOXIE kunne rumme ændringer i planetens atmosfæriske forhold.

"Mars atmosfære er langt mere variabel end Jorden," bemærker Hoffman. "Luftens tæthed kan variere med en faktor to gennem året, og temperaturen kan variere med 100 grader. Et mål er at vise, at vi kan løbe på alle årstider."

Hidtil har MOXIE vist, at den kan lave ilt på næsten ethvert tidspunkt af Marsdagen og året.

"Det eneste, vi ikke har demonstreret, er at løbe ved daggry eller skumring, når temperaturen ændrer sig væsentligt," siger Hecht. "Vi har et es i ærmet, som vil lade os gøre det, og når vi først har testet det i laboratoriet, kan vi nå den sidste milepæl for at vise, at vi virkelig kan løbe når som helst."

Forud for spillet

Mens MOXIE fortsætter med at udskille ilt på Mars, planlægger ingeniører at skubbe dens kapacitet og øge dens produktion, især i Mars-foråret, hvor atmosfærisk tæthed og kuldioxidniveauer er høje.

"Det næste løb vil være i løbet af årets højeste tæthed, og vi vil bare lave så meget ilt, som vi kan," siger Hecht. "Så vi vil sætte alt så højt, som vi tør, og lade det køre så længe vi kan."

De vil også overvåge systemet for tegn på slid. Da MOXIE kun er et eksperiment blandt flere ombord på Perseverance-roveren, kan den ikke køre kontinuerligt, som et fuldskala-system ville. I stedet skal instrumentet starte og slukke for hver kørsel – en termisk belastning, der kan forringe systemet over tid.

Hvis MOXIE kan fungere med succes på trods af gentagne gange at tænde og slukke, tyder det på, at et fuldskalasystem, designet til at køre kontinuerligt, kunne gøre det i tusindvis af timer.

"For at støtte en menneskelig mission til Mars er vi nødt til at bringe en masse ting fra Jorden, såsom computere, rumdragter og levesteder," siger Hoffman. "Men dum gammel ilt? Hvis du kan klare det der, så gå efter det - du er langt foran spillet." + Udforsk yderligere

Først laver Perseverance Mars rover ilt på en anden planet