那是在它作為NASA“毅力號(hào)”探測(cè)器和Mars 2020任務(wù)的一部分在火星表面著陸后約兩個(gè)月。

(相關(guān)資料圖)

在當(dāng)?shù)貢r(shí)間8月31日發(fā)表在《Science Advances》上的一項(xiàng)研究中，研究人員報(bào)告稱，等到2021年底，MOXIE能在七個(gè)實(shí)驗(yàn)運(yùn)行中產(chǎn)生氧氣。這些都是在各種大氣條件下進(jìn)行的--包括在白天和晚上--以及在不同的火星季節(jié)。在每次實(shí)驗(yàn)運(yùn)行中，該儀器達(dá)到了每小時(shí)生產(chǎn)6克氧氣的目標(biāo)。這約是地球上一棵普通的樹的速率。

科學(xué)家們?cè)O(shè)想，一個(gè)放大版的MOXIE可以在人類任務(wù)之前被送往火星，在那里它可以以幾百棵樹的速度連續(xù)生產(chǎn)氧氣。在這種能力下，該系統(tǒng)應(yīng)生產(chǎn)足夠的氧氣來(lái)維持人類到達(dá)后的生活并為宇航員返回地球的火箭提供燃料。

到目前為止，MOXIE的持續(xù)生產(chǎn)是朝著這一目標(biāo)邁出的有希望的第一步。

MIT Haystack天文臺(tái)MOXIE任務(wù)的高級(jí)研究人員Michael Hecht說(shuō)道：“我們已經(jīng)學(xué)到了大量的知識(shí)，這將為未來(lái)更大規(guī)模的系統(tǒng)提供參考。”

MOXIE在火星上的氧氣生產(chǎn)也代表了“原地資源利用”的首次展示。這是一個(gè)想法，即收獲和使用一個(gè)星球的原材料來(lái)制造資源如氧氣，否則就必須從地球運(yùn)輸。

MOXIE副首席調(diào)查員Jeffrey Hoffman說(shuō)道：“這是第一次實(shí)際利用另一個(gè)行星體表面的資源并將其化學(xué)地轉(zhuǎn)化為對(duì)人類任務(wù)有用的東西的演示。從這個(gè)意義上說(shuō)，它是歷史性的。”

Hoffman和赫克特的MIT合著者包括MOXIE團(tuán)隊(duì)成員Jason SooHoo、Andrew Liu、Eric Hinterman、Maya Nasr、Shravan Hariharan、Kyle Horn及來(lái)自多個(gè)機(jī)構(gòu)的合作者--包括NASA噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室(JPL)，該實(shí)驗(yàn)室管理MOXIE的開發(fā)、飛行軟件、包裝和發(fā)射前測(cè)試。

季節(jié)性空氣

當(dāng)前版本的MOXIE設(shè)計(jì)得很小以便裝在“毅力號(hào)”探測(cè)器上。它是為短期運(yùn)行而建造的，每次運(yùn)行都會(huì)啟動(dòng)和關(guān)閉，具體則取決于火星車的探索時(shí)間表和任務(wù)責(zé)任。相比之下，一個(gè)全面的火星氧氣工廠將包括更大的裝置，最好是連續(xù)運(yùn)行。

盡管MOXIE目前的設(shè)計(jì)有必要的限制，但該儀器已經(jīng)表明它能夠有效和可靠地將火星的大氣轉(zhuǎn)化為純氧。它的做法是首先將火星空氣拉入一個(gè)過(guò)濾器以清除其中的污染物。然后空氣被加壓并被送入固體氧化物電解器(SOXE)。這個(gè)儀器由OxEon Energy開發(fā)和建造，并通過(guò)電化學(xué)方法將富含二氧化碳的空氣分離成氧離子和一氧化碳。

然后氧離子被分離并重新組合，然后形成可呼吸的分子氧(O2)。然后，MOXIE在將其跟一氧化碳和其他大氣氣體一起無(wú)害地釋放回空氣中之前對(duì)這種輸出的數(shù)量和純度進(jìn)行測(cè)量。

自2021年2月漫游車著陸以來(lái)，MOXIE的工程師們?cè)谡麄€(gè)火星一年中已經(jīng)啟動(dòng)了七次該儀器。每次它都需要幾個(gè)小時(shí)來(lái)預(yù)熱，然后再花一個(gè)小時(shí)來(lái)制造氧氣，然后再斷電。每次運(yùn)行都被安排在白天或晚上的不同時(shí)間及不同的季節(jié)以檢查MOXIE是否能適應(yīng)該星球大氣條件的變化。

Hoffman指出：“火星的大氣層比地球要多得多。空氣的密度在一年中可以變化2倍，溫度可以變化100度。一個(gè)目標(biāo)是表明我們可以在所有的季節(jié)里運(yùn)行。”

到目前為止，MOXIE已經(jīng)證明，它幾乎可以在火星一天和一年的任何時(shí)間制造氧氣。

Hecht說(shuō)道：“我們唯一沒(méi)有證明的是在黎明或黃昏時(shí)運(yùn)行，那時(shí)溫度正在發(fā)生重大變化。我們確實(shí)有一張王牌可以讓我們做到這一點(diǎn)，一旦我們?cè)趯?shí)驗(yàn)室進(jìn)行測(cè)試我們就可以達(dá)到最后一個(gè)里程碑，屆時(shí)我們真的可以在任何時(shí)間運(yùn)行。”

領(lǐng)先的游戲

隨著MOXIE繼續(xù)在火星上產(chǎn)生氧氣，工程師們計(jì)劃提高其能力并增加其產(chǎn)量，特別是在火星的春天，此時(shí)大氣密度和二氧化碳水平很高。

“下一次運(yùn)行將是在一年中密度最高的時(shí)候，我們只想盡可能多地制造氧氣，”Hecht說(shuō)道，“所以我們會(huì)把一切都設(shè)置得盡可能高并讓它盡可能長(zhǎng)地運(yùn)行。”

他們還將監(jiān)測(cè)該系統(tǒng)的磨損跡象。由于MOXIE只是“毅力號(hào)”上幾個(gè)實(shí)驗(yàn)中的一個(gè)，它不能像一個(gè)完整規(guī)模的系統(tǒng)那樣連續(xù)運(yùn)行。相反，該儀器必須在每次運(yùn)行時(shí)啟動(dòng)和關(guān)閉。這將導(dǎo)致熱應(yīng)力并隨著時(shí)間的推移會(huì)使系統(tǒng)退化。

如果MOXIE能在反復(fù)開啟和關(guān)閉的情況下成功運(yùn)行，這將表明一個(gè)設(shè)計(jì)為連續(xù)運(yùn)行的完整規(guī)模的系統(tǒng)可以連續(xù)運(yùn)行數(shù)千小時(shí)。

Hoffman說(shuō)道：“為了支持人類的火星任務(wù)，我們必須從地球上帶來(lái)很多東西如計(jì)算機(jī)、宇航服和棲息地。但愚蠢的舊氧氣？如果你能做到這一點(diǎn)，就去做吧--你已經(jīng)在這場(chǎng)游戲中領(lǐng)先。”