W podróż na Czerwoną Planetę łazik Perseverance zabrał ze sobą eksperymentalny instrument wielkości tostera o nazwie MOXIE, który od ubiegłego roku wytwarza z bogatej w dwutlenek węgla atmosfery Marsa tlen. Naukowcy mają nadzieję, że znacznie większa wersja tego urządzenia może pewnego dnia generować tlen dla astronautów w przyszłych misjach na Marsa.
MOXIE, czyli Mars Oxygen In-Situ Resource Utilization Experiment, z powodzeniem wykonuje na Marsie pracę małego drzewa. Urządzenie to pojawiło się na Czerwonej Planecie w ramach misji łazika Perseverance, który 18 lutego ubiegłego roku wylądował na powierzchni Marsa. Tego typu technologia może umożliwić obecność człowieka na Czerwonej Planecie. Wyprodukowany na Marsie tlen mógłby posłużyć jako składnik paliwa rakietowego, co pozwoliłoby na powrót astronautów do domu. Mógłby zapewnić także powietrze potrzebne do oddychania dla samych astronautów.
W badaniu opublikowanym w czasopiśmie „Science Advances” (DOI: 10.1126/sciadv.abp8636) naukowcy podają, że do końca 2021 r. MOXIE produkował tlen w siedmiu różnych eksperymentach, z różnymi warunkami atmosferycznymi, w tym w dzień i w nocy, oraz w różnych porach roku. W każdym z nich instrument osiągnął swój cel, czyli produkcję sześciu gramów tlenu na godzinę — to mniej więcej tempo małego drzewa na Ziemi. Nie jest to duża ilość, ale eksperymenty pokazują, że technologia ta jest w stanie zrealizować ambitniejsze zadania.
- Zdobyliśmy ogromną ilości informacji, która wpłynie na przyszłe systemy o większej skali - mówi Michael Hecht z Massachusetts Institute of Technology (MIT), główny badacz misji MOXIE.
Naukowcy przewidują, że powiększona wersja MOXIE mogłaby zostać wysłana na Marsa przed misją załogową, aby nieprzerwanie wytwarzać tlen. System powinien generować wystarczającą ilość tlenu, aby umożliwić przeprowadzenie misji z udziałem ludzi na Marsie. Jak dotąd wyniki MOXIE są obiecującym pierwszym krokiem w tym kierunku.
Produkcja tlenu przez MOXIE na Marsie stanowi również pierwszą demonstrację wykorzystania materiałów znajdujących się na obcej planecie, w tym przypadku dwutlenku węgla na Marsie, do wytwarzania zasobów, takich jak tlen, które w innym przypadku musiałby być przetransportowane z Ziemi.
- To pierwsza demonstracja rzeczywistego wykorzystania zasobów na powierzchni innego ciała planetarnego i przekształcenia ich chemicznie w coś, co byłoby przydatne w ludzkiej misji – zaznacza Jeffrey Hoffman z MIT, zastępca kierownika projektu MOXIE.
Obecna wersja MOXIE jest niewielka. Takie były założenia, aby zmieścić urządzenie na pokładzie łazika Perseverance. Do tego sprzęt zaprojektowano i zbudowano do pracy przez krótkie okresy, w zależności od harmonogramu eksploracji łazika i obowiązków związanych z misją. W przeciwieństwie do tego, fabryka tlenu na pełną skalę musiałby być zbudowana ze znacznie większych jednostek podobnych do MOXIE, które pracowałyby w sposób ciągły.
Atmosfera Marsa składa się blisko w 96 proc. z dwutlenku węgla. Pozostałe 4 proc. to głównie azot i argon. Tlen stanowi jedynie 0,13 proc. składu marsjańskiej atmosfery.
Pomimo niezbędnych kompromisów w obecnym projekcie MOXIE, instrument wykazał, że może niezawodnie i wydajnie przekształcać atmosferę Marsa w czysty tlen. Robi to najpierw wciągając marsjańskie powietrze przez filtr, który je oczyszcza. Gazy są następnie sprężane i przesyłane przez instrument o nazwie SOXE (Solid OXide Electrolyzer), który w procesach elektrochemicznych rozdziela powietrze na jony tlenu oraz tlenek węgla. Następnie jony tlenu są izolowone i rekombinowane w celu wytworzenia tlenu cząsteczkowego.
Proces konwersji wymaga wysokich temperatur – około 800 stopni Celsjusza. Dlatego MOXIE został wykonany z materiałów odpornych na ciepło. Urządzenie zostało wydrukowane w drukarce 3D ze stopu niklu oraz lekkiego aerożelu. Cienka złota powłoka na zewnętrznej stronie MOXIE zapobiega wypromieniowaniu ciepła na zewnątrz, co potencjalnie mogłoby uszkodzić inne instrumenty łazika.
Od czasu lądowania łazika w lutym 2021 r. inżynierowie uruchamiali MOXIE siedem razy w ciągu marsjańskiego roku. Sprzęt potrzebuje kilka godzin na rozgrzanie, a następnie kolejną godzinę na wytworzenie tlenu. Każde uruchomienie było zaplanowane na inną porę dnia lub nocy i na różne pory roku, aby sprawdzić, czy MOXIE może dostosować się do zmian warunków atmosferycznych planety.
- Atmosfera Marsa jest znacznie bardziej zmienna niż na Ziemi. Gęstość powietrza może zmieniać się dwa razy w ciągu roku, a i temperatura podlega wahaniom o nawet 100 stopni. Jednym z naszych celów było pokazanie, że urządzenie może działać o każdej porze roku – zauważa Hoffman.
MOXIE kontynuuje produkcję tlenu na Marsie. Inżynierowie planują zwiększyć jego wydajność, szczególnie podczas marsjańskiej wiosny, kiedy gęstość atmosfery i poziom dwutlenku węgla są wysokie.
Będą również monitorować system pod kątem oznak zużycia. Naukowcom chodzi przede wszystkim o naprężenie termiczne, które może z czasem pogorszyć funkcjonowanie systemu. Ponieważ MOXIE jest tylko jednym z kilku eksperymentów na pokładzie łazika Perseverance, nie może działać nieprzerwanie, jak robiłby to system na pełną skalę. Zamiast tego przyrząd jest testowany i wyłączany przed każdym przejazdem łazika. Jeśli MOXIE może działać z powodzeniem pomimo wielokrotnego włączania i wyłączania, sugerowałoby to, że system na pełną skalę, zaprojektowany do ciągłej pracy, mógłby działać przez tysiące godzin.
Źródło: Massachusetts Institute of Technology, fot. NASA/JPL-Caltech
