MOXIE eksperimentas patikimai gamina deguonį Marse

Raudoname ir dulkėtame Marso paviršiuje, beveik už 100 milijonų kilometrų nuo Žemės, pietų dėžutės dydžio prietaisas įrodo, kad gali patikimai atlikti mažo medžio darbą.

MIT vadovaujamas "Mars Oxygen In-Situ Resource Utilization Experiment", arba MOXIE, sėkmingai gamina deguonį iš Raudonosios planetos atmosferos, kurioje gausu anglies dioksido, nuo 2021 m. vasario, kai jis nusileido ant Marso paviršiaus kaip NASA roverio "Perseverance" misijos dalis, skelbia Massachusetts Institute of Technology.

Žurnale "Science Advances" paskelbtame tyrime mokslininkai praneša, kad iki 2021 m. pabaigos MOXIE sugebėjo gaminti deguonį per septynis eksperimentinius bandymus, esant įvairioms atmosferos sąlygoms, įskaitant dieną ir naktį, ir įvairiais Marso metų laikais. Kiekvieno paleidimo metu prietaisas pasiekė savo tikslą - pagaminti šešis gramus deguonies per valandą - maždaug tiek, kiek Žemėje pagamina kuklus medis.

Mokslininkai numato, kad prieš žmogaus misiją į Marsą būtų galima nusiųsti padidintą MOXIE versiją, kuri nuolat gamintų deguonies tiek, kiek keli šimtai medžių. Tokiu pajėgumu sistema turėtų gaminti pakankamai deguonies, kad būtų galima išlaikyti žmones, kai jie atvyks, ir aprūpinti degalais raketą, kuria astronautai grįžtų į Žemę.

Kol kas MOXIE nuolatinė gamyba yra daug žadantis pirmas žingsnis šio tikslo link.

"Mes sužinojome labai daug naujo, o tai padės kurti būsimas didesnio masto sistemas", - sako MIT Haystack observatorijos MOXIE misijos vyriausiasis tyrėjas Michaelas Hechtas (Michael Hecht).

MOXIE deguonies gamyba Marse taip pat yra pirmoji "in situ išteklių naudojimo" demonstracija, t. y. idėja surinkti ir panaudoti planetos medžiagas (šiuo atveju Marse - anglies dioksidą), kad būtų pagaminti ištekliai (pvz., deguonis), kuriuos priešingu atveju tektų gabenti iš Žemės.

"Tai pirmasis pavyzdys, kaip iš tikrųjų panaudoti kitos planetos kūno paviršiuje esančius išteklius ir cheminiu būdu juos paversti į tai, kas būtų naudinga žmonių misijai", - sako MOXIE vyriausiojo tyrėjo pavaduotojas Džefris Hofmanas (Jeffrey Hoffman), MIT Aeronautikos ir astronautikos departamento praktikos profesorius. "Šia prasme tai istorinis įvykis."

J. Hoffmano ir J. Hechto MIT bendraautoriai yra MOXIE komandos nariai Jasonas SooHoo (Jason SooHoo), Andrew Liu, Ericas Hintermanas (Eric Hinterman), Maya Nasr, Shravanas Hariharanas (Shravan Hariharan) ir Kyle'as Hornas (Kyle Horn), taip pat bendradarbiai iš daugelio institucijų, įskaitant NASA Reaktyvinių variklių laboratoriją, kuri vadovavo MOXIE kūrimui, skrydžio programinei įrangai, pakavimui ir bandymams prieš paleidimą.

Sezoninis oras

Dabartinė MOXIE versija yra nedidelė pagal savo konstrukciją, kad tilptų į roverį "Perseverance", ir sukurta taip, kad veiktų trumpai, įsijungdama ir išsijungdama kiekvieno paleidimo metu, priklausomai nuo roverio tyrimų grafiko ir misijos pareigų. Tuo tarpu pilnos apimties deguonies gamykloje būtų didesni įrenginiai, kurie, idealiu atveju, veiktų nepertraukiamai.

Nepaisant būtinų kompromisų, susijusių su dabartine MOXIE konstrukcija, prietaisas įrodė, kad gali patikimai ir efektyviai paversti Marso atmosferą grynu deguonimi. Tai daroma pirmiausia įsiurbiant Marso orą per filtrą, kuris išvalo jį nuo teršalų. Tada oras suslėgiamas ir siunčiamas per "OxEon Energy" sukurtą ir sukonstruotą prietaisą "Solid OXide Electrolyzer" (SOXE), kuris elektrocheminiu būdu suskaido anglies dioksido turtingą orą į deguonies jonus ir anglies monoksidą.

Tada deguonies jonai izoliuojami ir vėl sujungiami į kvėpuojamą molekulinį deguonį (O2), kurio kiekį ir grynumą MOXIE išmatuoja prieš išleisdama jį į orą kartu su anglies monoksidu ir kitomis atmosferos dujomis.

Nuo roverio nusileidimo 2021 m. vasarį MOXIE inžinieriai per Marso metus prietaisą įjungė septynis kartus, kiekvieną kartą kelias valandas šildydami, paskui dar valandą gamindami deguonį ir vėl išjungdami. Kiekvienas paleidimas buvo suplanuotas skirtingu dienos ar nakties metu ir skirtingais metų laikais, siekiant patikrinti, ar MOXIE gali prisitaikyti prie planetos atmosferos sąlygų pokyčių.

"Marso atmosfera yra kur kas labiau kintanti nei Žemės, - pažymi Hoffmanas. "Per metus oro tankis gali skirtis du kartus, o temperatūra - 100 laipsnių. Vienas iš tikslų - parodyti, kad galime veikti visais metų laikais".

Iki šiol MOXIE parodė, kad deguonį gali gaminti beveik bet kuriuo Marso dienos ir metų laiku.

"Vienintelis dalykas, kurio neįrodėme, yra veikimas auštant ar temstant, kai temperatūra labai keičiasi", - sako Hechtas. "Turime tūzą rankovėje, kuris leis mums tai padaryti, ir kai tai išbandysime laboratorijoje, galėsime pasiekti paskutinį etapą ir parodyti, kad tikrai galime veikti bet kuriuo metu."

Pirmyn į priekį

Kadangi MOXIE ir toliau gamina deguonį Marse, inžinieriai planuoja didinti jo pajėgumus ir gamybą, ypač Marso pavasarį, kai atmosferos tankis ir anglies dioksido kiekis yra didelis.

"Kitas ciklas bus vykdomas didžiausio tankio metu, todėl norime pagaminti kuo daugiau deguonies", - sako Hechtas. "Taigi viską nustatysime taip aukštai, kaip tik išdrįsime, ir leisime jam veikti tiek ilgai, kiek tik galėsime."

Jie taip pat stebės sistemą, ar nėra nusidėvėjimo požymių. Kadangi MOXIE yra tik vienas iš kelių "Perseverance" roverio eksperimentų, jis negali veikti nuolat, kaip veiktų visa sistema. Vietoj to, prietaisas turi įsijungti ir išsijungti kiekvieno važiavimo metu - tai yra šiluminė įtampa, kuri laikui bėgant gali pabloginti sistemos veikimą.

Jei MOXIE gali sėkmingai veikti nepaisant daugkartinio įjungimo ir išjungimo, tai reiškia, kad nepertraukiamam darbui pritaikyta sistema galėtų veikti tūkstančius valandų.

"Kad galėtume palaikyti žmonių misiją į Marsą, turime atsigabenti daugybę dalykų iš Žemės, pavyzdžiui, kompiuterių, skafandrų ir buveinių", - sako Hoffmanas. "Bet senas, kvailas deguonis? Jei galite tai padaryti, pirmyn į priekį - esate gerokai priekyje." 

Daugiau informacijos: "Mars Oxygen ISRU Experiment" (MOXIE) - pasiruošimas Marso tyrimams su žmonėmis, "Science Advances" (2022 m.). www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abp8636