在距離地球近1億英里的火星上，一個(gè)午餐盒大小的儀器正在證明它可以可靠地完成一棵小樹的工作。

麻省理工學(xué)院領(lǐng)導(dǎo)的火星氧氣原位資源利用實(shí)驗(yàn)（MOXIE）自2021年2月以來一直成功地從這顆紅色星球富含二氧化碳的大氣中制造氧氣，當(dāng)時(shí)它作為NASA毅力號(hào)火星車任務(wù)的一部分降落在火星表面。

在發(fā)表在《科學(xué)進(jìn)展》雜志上的一項(xiàng)研究中，研究人員報(bào)告說，到2021年底，MOXIE能夠在七次實(shí)驗(yàn)運(yùn)行中產(chǎn)生氧氣，在各種大氣條件下，包括在白天和黑夜，以及通過不同的火星季節(jié)。在每次運(yùn)行中，該儀器都達(dá)到了每小時(shí)產(chǎn)生六克氧氣的目標(biāo) - 大約是地球上一棵適度樹木的速度。

研究人員設(shè)想，MOXIE的放大版本可以在人類任務(wù)之前被送往火星，以數(shù)百棵樹的速度持續(xù)產(chǎn)生氧氣。在這種能力下，該系統(tǒng)應(yīng)該產(chǎn)生足夠的氧氣，以便在人類到達(dá)后維持人類，并為返回地球的宇航員提供火箭燃料。

到目前為止，MOXIE的穩(wěn)定產(chǎn)量是朝著這一目標(biāo)邁出的充滿希望的第一步。

“我們已經(jīng)學(xué)到了大量知識(shí)，這些知識(shí)將在更大規(guī)模上為未來的系統(tǒng)提供信息，”麻省理工學(xué)院干草堆天文臺(tái)MOXIE任務(wù)的首席研究員Michael Hecht說。

MOXIE在火星上的氧氣生產(chǎn)也代表了“原位資源利用”的首次證明，即收獲和使用行星的材料（在這種情況下，火星上的二氧化碳）來制造資源（如氧氣），否則這些資源將不得不從地球運(yùn)輸。

“這是第一次實(shí)際使用另一個(gè)行星體表面的資源，并將它們化學(xué)轉(zhuǎn)化為對(duì)人類任務(wù)有用的東西，”MOXIE副首席研究員杰弗里霍夫曼說，他是麻省理工學(xué)院航空航天系的實(shí)踐教授?！皬倪@個(gè)意義上說，這是歷史性的。

霍夫曼和赫克特的麻省理工學(xué)院合著者包括MOXIE團(tuán)隊(duì)成員杰森·蘇霍，安德魯·劉，埃里克·辛特曼，瑪雅·納斯?fàn)?，什拉萬·哈里哈蘭和凱爾·霍恩，以及來自多個(gè)機(jī)構(gòu)的合作者，包括美國(guó)宇航局的噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室，該實(shí)驗(yàn)室在發(fā)射前管理MOXIE的開發(fā)，飛行軟件，包裝和測(cè)試。

季節(jié)性空氣

MOXIE的當(dāng)前版本在設(shè)計(jì)上很小，以便安裝在毅力號(hào)火星車上，并且被建造為短時(shí)間運(yùn)行，每次運(yùn)行都會(huì)啟動(dòng)和關(guān)閉，具體取決于漫游車的探索時(shí)間表和任務(wù)職責(zé)。相比之下，一個(gè)全面的氧氣工廠將包括更大的裝置，理想情況下可以連續(xù)運(yùn)行。

盡管MOXIE目前的設(shè)計(jì)做出了必要的妥協(xié)，但該儀器已經(jīng)證明它可以可靠而有效地將火星大氣轉(zhuǎn)化為純氧。它首先通過過濾器吸入火星空氣，以清除污染物。然后空氣被加壓，并通過固體OXide電解槽（SOXE）發(fā)送，這是一種由OxEon Energy開發(fā)和制造的儀器，它電化學(xué)地將富含二氧化碳的空氣分解成氧離子和一氧化碳。

然后，氧離子被分離并重新組合成可呼吸的分子氧或O2，然后MOXIE測(cè)量數(shù)量和純度，然后將其無害地釋放回空氣中，以及一氧化碳和其他大氣氣體。

自火星車于2021年2月著陸以來，MOXIE工程師在整個(gè)火星年中已經(jīng)啟動(dòng)了該儀器七次，每次都需要幾個(gè)小時(shí)來預(yù)熱，然后再花一個(gè)小時(shí)來制造氧氣，然后再重新供電。每次運(yùn)行都安排在白天或晚上的不同時(shí)間，以及不同的季節(jié)，看看MOXIE是否能夠適應(yīng)地球大氣條件的變化。

“火星的大氣層比地球多變得多，”霍夫曼指出?！翱諝獾拿芏仍谝荒曛锌梢宰兓瘍杀?，溫度可以變化100度。一個(gè)目標(biāo)是證明我們可以在所有季節(jié)中運(yùn)行。

到目前為止，MOXIE已經(jīng)表明，它幾乎可以在火星日和一年中的任何時(shí)間產(chǎn)生氧氣。

“我們唯一沒有證明的是黎明或黃昏跑步，當(dāng)溫度發(fā)生重大變化時(shí)，”赫克特說?！拔覀兇_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)室中測(cè)試了這一點(diǎn)，我們就可以達(dá)到最后一個(gè)里程碑，表明我們真的可以隨時(shí)運(yùn)行。

領(lǐng)先一步

隨著MOXIE繼續(xù)在火星上產(chǎn)生氧氣，工程師計(jì)劃提高其產(chǎn)能，并增加其產(chǎn)量，特別是在火星春季，當(dāng)大氣密度和二氧化碳水平很高時(shí)。

“接下來的運(yùn)行將在今年的最高密度下進(jìn)行，我們只想盡可能多地制造氧氣，”赫克特說?！八晕覀儠?huì)把一切都定得盡可能高，讓它盡可能長(zhǎng)地運(yùn)行。

他們還將監(jiān)控系統(tǒng)是否有磨損跡象。由于MOXIE只是毅力號(hào)火星車上的幾個(gè)實(shí)驗(yàn)中的一個(gè)，它不能像全尺寸系統(tǒng)那樣連續(xù)運(yùn)行。相反，儀器必須在每次運(yùn)行時(shí)啟動(dòng)和關(guān)閉 - 熱應(yīng)力會(huì)隨著時(shí)間的推移而降低系統(tǒng)性能。

如果MOXIE可以在反復(fù)打開和關(guān)閉的情況下成功運(yùn)行，這表明設(shè)計(jì)為連續(xù)運(yùn)行的全尺寸系統(tǒng)可以連續(xù)運(yùn)行數(shù)千小時(shí)。

“為了支持人類火星任務(wù)，我們必須從地球上帶來很多東西，比如計(jì)算機(jī)、宇航服和棲息地，”霍夫曼說。“可是笨重的老氧呢？如果你能在那里成功，那就去做吧——你遠(yuǎn)遠(yuǎn)領(lǐng)先于比賽。

這項(xiàng)研究部分得到了美國(guó)宇航局的支持。