NASA喷气推进实验室的技术人员将火星氧气原位资源利用实验(MOXIE)仪器放入毅力号探测器的腹部。
影像来源:NASA/JPL-Caltech

NASA最新的六轮火星机器人毅力号的第一清单不断增加,其中包括将火星稀薄、富含二氧化碳大气转化为气。毅力号上的一个烤面包机小的实验仪器火星氧气原位资源利用实验(MOXIE)完成了这项任务。测试于4月20日进行,这是自2月18日登陆火星以来的第60个火星日。

虽然这项技术演示才刚刚开始,但它可以为科幻小说成为科学事实铺平道路——在火星上隔离和储存氧气,以帮助火箭宇航员送上火星表面。这些设备有朝一日也可能为宇航员提供可呼吸的空气。MOXIE是一项探索技术调查,与火星境动力学分析仪(MEDA)气象站一样,由美国宇航局空间技术任务局(STMD)和人类探索与行动任务局赞助。

“这是在火星上将二氧化碳转化为氧气的关键的第一步,”STMD的副局长吉姆·罗伊特(Jim Reuter)说。“MOXIE还有更多的工作要做,但我们对这项技术演示的结果充满希望,因为我们正朝着有一天能在火星上看到人类的目标迈进。氧气不仅仅是我们呼吸的东西。火箭推进剂依赖于氧气,未来的探险者将依靠在火星上生产推进剂来完成回家的旅程。”

对于火箭或宇航员来说,氧气是关键,MOXIE的首席研究员、麻省理工学院干草堆天文台的迈克尔·赫克特(Michael Hecht)说。

为了燃烧燃料,火箭必须有更多的氧气。在未来的任务中,让四名宇航员离开火星表面将需要大约15000磅(7吨)的火箭燃料和55000磅(25吨)的氧气。相比之下,在火星上生活和工作的宇航员呼吸所需的氧气要少得多。赫克特说:“在火星表面待一年的宇航员可能共用1吨重的氧气。”

将25吨氧气从地球运送到火星将是一项艰巨的任务。运输一个一吨重的氧气转化器——MOXIE的一个更大、更强大的新一代产品,可以生产25吨的氧气转化器——将更加经济和实用。

火星的大气层96%是二氧化碳。MOXIE的工作原理是将氧原子从二氧化碳分子中分离出来,二氧化碳分子由一个碳原子和两个氧原子组成。一氧化碳——一种废物,被排放到火星的大气中。

该转换过程需要高平的热量,以达到大约1470华氏度(800摄氏度)的温度。为了适应这一点,MOXIE装置是用耐高温的材料制成。这些材料包括3D打印的镍合金部件,用于加热和冷却流经它的气体,以及一种有助于保持热量的轻质气凝胶。MOXIE外部有一层薄薄的金色涂层,可以反射红外热量,防止其向外辐射,从而防止其可能损坏毅力号的其他部件。

经过2小时的预热,MOXIE开始以每小时6克的速度生产氧气。在运行过程中制氧速度减缓了两次(被称为 “电流扫描”),以评估仪器的状态。经过一个小时的运行,产生的氧气总量约为5.4克,足以让宇航员在大约10分钟的正常活动中保持健康。
影像来源:MIT Haystack Observatory

在这第一次实验中,MOXIE的氧气产量相当低——大约5克,相当于一个宇航员大约10分钟的可呼吸氧气。按照设计,MOXIE可以每小时产生10克氧气。

这一技术演示的目的是确保该仪器在从地球发射、近7个月的深空旅行以及2月18日毅力号着陆后仍能使用。预计MOXIE将在火星一年的时间里(地球上差不多两年)至少再提取9次氧气。

这些氧气生产运行将分三个阶段进行。第一阶段将检查和描述仪器的功能,而第二阶段将在不同的大气条件下运行仪器,如一天中的不同时间和季节。在第三阶段,Hecht说,”我们将推陈出新” – 尝试新的操作模式,或引入 “新的皱纹,例如我们比较在三个或更多不同温度下的操作”。

“这些产氧过程将分为三个阶段。第一阶段将检查和描述仪器的功能,而第二阶段将在不同的大气条件下运行仪器,如不同的时间和季节,”赫克特说。“在第三阶段,我们将突破极限——尝试新的操作模式,或引入新的挑战,例如我们将在三种或更多不同温度下进行操作比较。”

“MOXIE不仅仅是在另一个世界制造氧气的第一个仪器,”STMD的技术演示总监特鲁迪·科特斯(Trudy Kortes)说。“这是同类中的第一项技术,它将利用另一个世界环境中的要素(也称为现场资源利用)来帮助将来的任务在陆地上生活。”

“它是把你在地面上发现的这种物质风化层,通过加工厂加工成一个大型结构,或者是把二氧化碳——大气的大部分——转化为氧气,”科特斯说。“这个过程让我们可以把这些丰富的材料转化成有用的东西:推进剂、可呼吸的空气,或者与氧结合的水。”

MOXIE仪器的示意图,描述了该仪器内的元素
影像来源:NASA/JPL

毅力号的更多相关信息

毅力号任务在火星上的主要目标是天体生物学,包括寻找古微生物生命的迹象。毅力号将对火星的地质和过去的气候进行表征,为未来人类探索红色星球铺平道路,除此之外,毅力号任务还是第一个收集和储存火星岩石和风化层(regolith,破碎的岩石和尘土)样本的任务。

NASA将与欧洲空间局(European Space Agency,ESA)合作进行后续的飞行任务,送探测器前往火星,从火星表面收集暂时缓存的样本,然后将它们返回地球进行进一步的分析。

喷气推进实验室由位于加利福尼亚州帕萨迪纳市的加州理工学院(Caltech)为NASA代为管理,毅力号的建造和运营管理由喷气推进实验室负责。

毅力号火星探测任务的更多相关信息请见:

nasa.gov/perseverance

以及

mars.nasa.gov/mars2020/

参考来源:

https://www.nasa.gov/press-release/nasa-s-perseverance-mars-rover-extracts-first-oxygen-from-red-planet

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