Эксперимент MOXIE надежно производит кислород на Марсе

В исследовании, опубликованном в журнале Science Advances, ученые сообщают, что к концу 2021 года MOXIE смог производить кислород в ходе семи экспериментальных запусков в различных атмосферных условиях, в том числе днем и ночью, и в разные марсианские сезоны. При каждом запуске прибор достиг своей цели по производству шести граммов кислорода в час — примерно столько же, сколько и скромное дерево на Земле.

Исследователи предполагают, что увеличенная версия MOXIE может быть отправлена на Марс перед человеческой миссией, чтобы непрерывно производить кислород со скоростью нескольких сотен деревьев. При такой мощности система должна генерировать достаточно кислорода, чтобы как поддерживать людей после их прибытия, так и заправлять ракету для возвращения астронавтов обратно на Землю.

На данный момент стабильная производительность MOXIE является многообещающим первым шагом к этой цели.

«Мы узнали огромное количество информации, которая будет использоваться в будущих системах в более широком масштабе», — говорит Майкл Хехт, главный исследователь миссии MOXIE в обсерватории Хейстек Массачусетского технологического института.

Производство кислорода MOXIE на Марсе также представляет собой первую демонстрацию «использования ресурсов на месте», которая заключается в сборе и использовании материалов планеты (в данном случае углекислого газа на Марсе) для производства ресурсов (таких как кислород), которые будут в противном случае транспортироваться с Земли.

«Это первая демонстрация фактического использования ресурсов на поверхности другого планетарного тела и их химического преобразования во что-то, что было бы полезно для человеческой миссии», — говорит заместитель главного исследователя MOXIE Джеффри Хоффман. «Это историческое событие».

Текущая версия MOXIE небольшого размера, поэтому поместилась на борту марсохода Perseverance, и предназначена для работы в течение коротких периодов времени, запускаясь и выключаясь при каждом запуске, в зависимости от графика исследований марсохода и задач миссии. Напротив, полномасштабный кислородный завод будет включать в себя более крупные блоки, которые в идеале будут работать непрерывно.

Несмотря на необходимые компромиссы в текущей конструкции MOXIE, прибор показал, что он может надежно и эффективно преобразовывать атмосферу Марса в чистый кислород. Он делает это, сначала втягивая марсианский воздух через фильтр, который очищает его от загрязняющих веществ. Затем воздух подвергается давлению и проходит через твердооксидный электролизер (SOXE), прибор, разработанный и изготовленный OxEon Energy, который электрохимически расщепляет воздух, богатый углекислым газом, на ионы кислорода и монооксид углерода.

Затем ионы кислорода выделяются и рекомбинируются с образованием пригодного для дыхания молекулярного кислорода или O2, количество и чистоту которого MOXIE измеряет, прежде чем безвредно выпустить его обратно в воздух вместе с окисью углерода и другими атмосферными газами.

С момента приземления марсохода в феврале 2021 года инженеры MOXIE запускали прибор семь раз в течение марсианского года, и каждый раз требовалось несколько часов для прогрева, затем еще час для получения кислорода, прежде чем отключить питание. Каждый запуск был запланирован на разное время дня или ночи и в разное время года, чтобы увидеть, сможет ли MOXIE приспособиться к изменениям атмосферных условий планеты.

«Атмосфера Марса гораздо более изменчива, чем Земля», — отмечает Хоффман. «Плотность воздуха может меняться в два раза в течение года, а температура может меняться на 100 градусов. Одна из целей — показать, что мы можем работать в любое время года».

На данный момент MOXIE показал, что может производить кислород практически в любое время марсианского дня и года.

«Единственное, что мы не продемонстрировали, — это работа на рассвете или в сумерках, когда температура существенно меняется», — говорит Хект. «У нас есть туз в рукаве, который позволит это сделать, и как только мы проверим это в лаборатории, сможем достичь последнего рубежа, чтобы показать, что действительно можем работать в любое время».

Поскольку MOXIE продолжает вырабатывать кислород на Марсе, инженеры планируют увеличить его мощность и производство, особенно марсианской весной, когда плотность атмосферы и уровень углекислого газа высоки.

«Следующий запуск будет во время самой высокой плотности в году, и мы просто хотим получить как можно больше кислорода», — говорит Хехт. «Поэтому мы установим планку так высоко, как осмелимся, и пусть работает так долго, как может».

Они также будут контролировать систему на наличие признаков износа. Поскольку MOXIE — это всего лишь один из нескольких экспериментов на борту марсохода Perseverance, он не может работать непрерывно, как полномасштабная система. Вместо этого прибор должен запускаться и выключаться при каждом запуске — тепловая нагрузка, которая со временем может ухудшить работу системы.

Если MOXIE сможет успешно работать, несмотря на постоянное включение и выключение, это будет значить, что полномасштабная система, предназначенная для непрерывной работы, может работать в течение тысяч часов.

«Чтобы поддержать миссию человека на Марс, нам нужно привезти с Земли много вещей, таких как компьютеры, скафандры и жилые помещения», — говорит Хоффман. «Но кислород? Если можно сделать его там, дерзайте — вы опередите события».