Op 30 juli, een kans van twee weken opent zich voor Perseverance - de nieuwste Marsrover, gesmeed in de geest van menselijke nieuwsgierigheid - om zijn reis naar de Rode Planeet te beginnen met een lancering vanaf het Cape Canaveral Space Launch Center aan de oostelijke kust van Florida. Met de hulp van MIT, deze nieuwste NASA-missie zal voortbouwen op de erfenis van zijn zwervende laboratoriumvoorgangers en dieper dan ooit tevoren graven in vragen over het leven op Mars.

In zijn huidige staat, Mars is onherbergzaam; het oppervlak is stoffig, en het enige beschikbare water is bevroren in de buurt van de polen, diep ondergrond, of zo stevig aan de grond gebonden dat het in een oven zou moeten worden gekookt om het eruit te halen. De lucht is onadembaar, en de dunne atmosfeer maakt zorgwekkende stralingsniveaus mogelijk terwijl een gemiddelde temperatuur van -81 graden Fahrenheit wordt gehandhaafd. Ooit in het verleden, echter, het leek misschien veel meer op de aarde, en misschien duurzamer voor het leven.

De doelen van Perseverance - een kenmerkend onderdeel van de grotere Mars 2020-missie - zijn om vragen over deze voormalige bewoonbaarheid te onderzoeken, om de omgeving te karakteriseren, en om de weg vrij te maken voor toekomstige menselijke verkenningen. Een van de zeven experimenten die met de rover reizen, zal specifiek betrekking hebben op toekomstige menselijke missies naar Mars:MOXIE, afkorting voor het Mars OXygen In situ resource gebruik Experiment, zal ons helpen bij de voorbereiding op die eerste missies door aan te tonen dat we onze eigen zuurstof op Mars kunnen maken om te gebruiken voor raketaandrijfstof en voor de bemanning om te ademen wanneer astronautenontdekkingsreizigers daar aankomen. MOXIE werd voorgesteld en ontwikkeld door een samenwerking tussen onderzoekers van MIT's Haystack Observatory en het MIT Department of Aeronautics and Astronautics (AeroAstro), samen met ingenieurs van NASA Jet Propulsion Laboratory (JPL).

MIT is ook goed vertegenwoordigd in andere aspecten van de missie. Doorzettingsvermogen zal een uitgekiend systeem dragen voor het selecteren, uitboren, cachen, en het bewaren van rots- en grondmonsters om op een dag terug te brengen naar de aarde. Universitair hoofddocent geobiologie Tanja Bosak en hoogleraar planeetwetenschappen Ben Weiss, beide van het MIT Department of Earth, Sfeervol, en Planetaire Wetenschappen (EAPS), zijn deelnemende wetenschappers die met dit systeem zullen werken om te helpen kiezen welke monsters van het Marsoppervlak moeten worden verzameld en geanalyseerd. En Ariël Ekblaw, een afgestudeerde student in mediakunsten en -wetenschappen en de oprichter en leider van het MIT Media Lab Space Exploration Initiative, bijgedragen aan een rover-experiment tijdens een zomer bij JPL dat zal zoeken naar bewijs van microben uit het verleden.

De kleine mechanische boom

In de film The Martian uit 2015 toen astronaut Mark Watney (gespeeld door Matt Damon) op Mars strandde, hij slaagde erin lang genoeg te overleven om een ​​rendez-vous reddingsmissie met zijn bemanning te coördineren door van het land van de Rode Planeet te leven. Dit is het basisprincipe achter het gebruik van hulpbronnen in situ, of ISRU, en MOXIE vertegenwoordigt een belangrijke eerste stap in het realiseren van ISRU voor toekomstige Mars-ontdekkingsreizigers.

"Je hebt niet alleen zuurstof nodig om mensen te laten ademen, maar je hebt het ook nodig om de raket te laten ademen. Als u brandstof verbrandt, je hebt zuurstof nodig om het te consumeren, " zegt Michael Hecht, MOXIE hoofdonderzoeker en onderzoeksdirecteur bij MIT Haystack Observatory in Westford, Massachusetts. "Er is een reden waarom zuurstoftanks de zwaarste items zijn op een ruimtevluchtmanifest."

Lanceringen verbruiken veel brandstof:om een ​​ruimtevaartuig voort te stuwen om de zwaartekracht van de aarde te verlaten, is veel energie nodig, en terugkeren naar de aarde vereist dat je het helemaal opnieuw doet. Bovendien, de zware tanks die nodig zijn om de zuurstof te vervoeren die nodig is voor een bepaalde missie, nemen kostbaar onroerend goed in beslag in een zorgvuldig gekalibreerd ruimtevaartuig. Hier komt de ISRU-aanpak om de hoek kijken.

"In plaats van het mee te nemen, waarom zouden we het niet gewoon maken als we er zijn, als we het nodig hebben?" zegt Hecht. "Zuurstof bestaat op Mars, alleen niet in een vorm die we kunnen gebruiken. Dus dat is het probleem dat we met MOXIE probeerden op te lossen."

Een potentiële bron van zuurstof is ijs dat zich onder het oppervlak van Mars bevindt. Maar het delven van dit ijs zou complexe machines vereisen, en de fysieke handeling van graven en boren zou aanzienlijke slijtage aan apparatuur veroorzaken, wat een probleem is als een reparateur een planeet verwijderd is. Dankbaar, er was nog een andere potentiële bron die het team kan aanboren om zuurstof te genereren:de atmosfeer.

"Met de mijnbouwbenadering, je moet het ijs delven, verfijn en verwerk het om de zuurstof vrij te maken, en breng het terug, wat we gewoon niet robotisch kunnen doen, vooral binnen onze ruimtebeperkingen, ", zegt Hecht. "Ik wilde een veel eenvoudigere aanpak vinden. De atmosfeer van Mars bestaat voor ongeveer 96 procent uit koolstofdioxide, dus bouwden we een kleine mechanische boom, want dat is veel makkelijker dan een miniatuur bouwen, zelfstandige mijnbouwonderneming."

MOXIE's doel:het verzamelen van de koolstofdioxide die overvloedig aanwezig is in de lucht van Mars, zet het om in zuurstof, en meet de zuiverheid van de zuurstof. Na het inademen van Marslucht, het systeem filtert stof, comprimeert het, en voert het vervolgens in de Solid OXide Electrolyzer (SOXE), het belangrijkste element dat kooldioxide onder druk neemt en een combinatie van elektriciteit en chemie gebruikt om het molecuul te splitsen in zuurstof en koolmonoxide. De zuiverheid van de zuurstof wordt geanalyseerd, en dan komt de zuurstof terug in de atmosfeer van Mars.

Momenteel, het plan is om tijdens de missie ten minste 10 zuurstofproducerende runs uit te voeren onder zoveel mogelijk verschillende seizoens- en omgevingsomstandigheden. Vanwege de intense hoeveelheid energie die nodig is om het MOXIE-experiment uit te voeren, het team coördineert met de andere onderzoekers, die moeten uitschakelen voor de duur van MOXIE's looptijd van enkele uren, en wacht dan het grootste deel van een Marsdag (een sol genoemd) totdat de batterijen van Perseverance zijn opgeladen. De gegevens worden teruggestuurd naar een lab op de campus van MIT, waar de prestaties van MOXIE zullen worden geanalyseerd.

Het team samenstellen

In 2013, NASA deed een oproep tot het indienen van voorstellen voor zuurstofgenererende experimenten voor de 2020-rover binnen specifieke parameters. Ondanks dat hij tijdens zijn 30-jarige ambtstermijn bij JPL aan de Phoenix Mars Lander-missie heeft gewerkt, toen Hecht in 2012 naar zijn huidige functie bij het MIT Haystack Observatory verhuisde hij verwachtte niet meer een "Mars-man" te zijn - hij dacht dat hij voorgoed klaar was met Mars. Maar zijn voormalige JPL-collega's waren het daar niet mee eens en vroegen hem het experiment als hoofdonderzoeker te leiden. Volgens Hecht, zelfs nadat hij zich had aangemeld, hij geloofde dat het projectvoorstel een schot in de roos was, maar in juli 2014, hij en zijn collega's kregen bericht dat ze het project binnenhaalden.

"Onderzoekers in andere NASA-labs hadden een enorme voorsprong en veel technologisch erfgoed. De selectie van MOXIE was een enorme verrassing voor mij, ", zegt Hecht. "Omdat deze missie een mensgerichte focus heeft, Ik wist dat we echt geloofwaardig moesten zijn bij de menselijke verkenningsgemeenschap, dat we niet alleen op zoek waren naar een excuus om wat interessante wetenschap te doen. Dus, hoe overtuigen we hen dat we echt zijn en willen helpen met menselijke verkenning? Het kostte me ongeveer vijf minuten om aan Jeff Hoffman te denken."

Hofman, een professor van de praktijk in MIT AeroAstro, weet zeker het een en ander over menselijke ruimteverkenning. Tijdens zijn carrière als NASA-astronaut maakte hij vier ruimtewandelingen tijdens zijn vijf ruimtevluchten, waaronder de eerste reddings-/herstelmissie om de Hubble-ruimtetelescoop in 1993 te repareren.

Naast Hoffmans uitgebreide ervaring met bemande ruimtevaart, hij deelde nog een connectie met Hecht:Hecht was Hoffman's eerste afgestudeerde student-adviseur als nieuwe MIT-onderzoeker voordat hij in 1978 werd opgeroepen om deel te nemen aan het astronautenprogramma en een carrière bij NASA na te streven. In 2001 keerde hij terug naar de MIT-faculteit, en naast plaatsvervangend hoofdonderzoeker van MOXIE, hij leidt het Human Systems Lab aan het MIT en geeft cursussen over bemande ruimtevaartsystemen.

"Het is een geweldige ervaring om als collega's samen te werken met een oud-afstudeerstudent, vooral bij een project als MOXIE omdat het laat zien hoe belangrijk afgestudeerde studenten zijn voor het onderzoeksproces in een verhaal dat de cirkel rond is, ", zegt Hoffman. "Niet alleen afgestudeerde studenten voeren het dagelijkse werk aan een project uit, maar we ontwikkelen ook de volgende generatie mensen die de verkenning van niet alleen Mars, maar het hele zonnestelsel."

AeroAstro Ph.D. studenten Eric Hinterman SM '18 en Maya Nasr '18 maken sinds 2016 deel uit van het MOXIE-team, toen Hinterman aan zijn masteropleiding werkte en Nasr een MOXIE-gerelateerd onderzoeksproject uitvoerde als junior in luchtvaart en ruimtevaart.

Voor haar masterscriptie Nasr concentreerde zich op het kalibreren van de sensoren in de MOXIE-eenheid door experimenten uit te voeren onder verschillende drukken en temperaturen en omstandigheden die de omgeving op Mars nabootsen. Het doel van het werk van haar master was om te begrijpen hoe de sensoren zich anders kunnen gedragen in een omgeving als die van Mars, en om ze dienovereenkomstig te kalibreren, zodat ze tijdens de missie nauwkeurige gegevens zouden terugsturen. Haar doctoraat het werk zal zich concentreren op het verwerken en analyseren van zowel de experimentele laboratoriumgegevens van MOXIE als telemetriegegevens die vanaf Mars zullen worden teruggestuurd, die zal helpen bepalen hoe goed het apparaat functioneert bij zijn taak om zuurstof te extraheren.

"Voor mij persoonlijk het betekent veel om aan dit project te werken en het is verbazingwekkend dat de lancering al plaatsvindt. Ik ben opgegroeid in Libanon en herinner me dat ik de landing van de Curiosity Rover zag, en destijds was de directeur van NASA JPL Dr. Charles Elachi, die van oorsprong Libanees is, "zegt Nasr. "Toen ik hem in missiecontrole zag, realiseerde ik me dat het mogelijk was om deel uit te maken van een Mars-missie, en het is een van de redenen waarom ik me heb aangemeld bij MIT."

Het nieuwste lid van het MOXIE-team is AeroAstro-masterstudent Justine Schultz, die in het late voorjaar van 2020 toetrad. Schultz, die ook fulltime bij General Electric werkt, zal haar afstudeerwerk richten op het construeren van een gedetailleerd thermisch model van MOXIE.

Wat zit er in een naam?

Aangezien "Mars OXygen In situ resource gebruik Experiment" een mondvol is, Hecht wilde creatief aan de slag met de projectnaam. De eerste inspiratie komt van Moxie-frisdrank, die in de jaren 1800 in Massachusetts werd uitgevonden als een zenuwkalmerend tonicum. Toen het bedrijf het mengde met sodawater voor extra carbonatatie, het begon uit de schappen te vliegen en werd een van de eerste in massa geproduceerde frisdranken in de VS.

Naast de lokale connectie en de belangrijke rol van kooldioxide in het succesverhaal van Moxie soda, Hecht vond de betekenis achter het woord dat onderdeel is geworden van ons culturele lexicon bijzonder passend bij het project. Merriam-Webster definieert "moxie" als "energie, fut, moed, bepaling, en knowhow." De diepere betekenis werd nog relevanter toen de wereld worstelde met een gevaarlijke wereldwijde pandemie met de finish in zicht.

"De situatie met het coronavirus zorgde zeker voor wat vertragingen vanaf waar we dachten dat we zouden zijn, maar gelukkig bracht het de missie nooit in gevaar. Ondanks wat tegenslagen, we waren in staat om te draaien en ons aan te passen om de lancering op schema te houden, " zei Hecht. "Maar COVID-19 wees verdoemd, we lanceren deze rover."

Het lanceervenster is een belangrijke factor omdat het de periode markeert waarin de baan van de aarde rond de zon op een zodanige manier is uitgelijnd met die van Mars dat een raket een vluchttraject kan volgen zoals het wisselen van rijstrook op een snelweg om zijn doel te bereiken landingspunt op de Jezero-krater van Mars. Het venster sluit op 15 augustus, en gaat pas weer 26 maanden open.

"Hoewel het triest zal zijn om dat moment van viering niet persoonlijk samen te hebben, het belangrijkste is dat we op Mars aan de oppervlakte komen en zuurstof produceren, die we vanuit huis online gaan doen, ", zegt Hoffman. "Kijkend naar alles wat er de afgelopen maanden is gebeurd en alle mensen die hard hebben gewerkt om Mars 2020 klaar te maken voor lancering, ondanks dat de wereld om ons heen sluit, Ik ben blij dat we de naam Perseverance hebben gekozen, want volhouden en volharden in de missie is de naam van het spel geworden."