Op het rode en stoffige oppervlak van Mars, bijna 160 miljoen mijl van de aarde, bewijst een instrument ter grootte van een broodtrommel dat het betrouwbaar het werk van een kleine boom kan doen.

Het door MIT geleide Mars Oxygen In-Situ Resource Utilization Experiment, of MOXIE, maakt sinds februari 2021 met succes zuurstof uit de koolstofdioxiderijke atmosfeer van de Rode Planeet, toen het landde op het oppervlak van Mars als onderdeel van NASA's Perseverance rover-missie .

In een studie gepubliceerd in het tijdschrift Science Advances, onderzoekers melden dat MOXIE tegen het einde van 2021 zuurstof kon produceren op zeven experimentele runs, in verschillende atmosferische omstandigheden, waaronder overdag en 's nachts, en tijdens verschillende Martiaanse seizoenen. In elke run bereikte het instrument zijn doel om zes gram zuurstof per uur te produceren - ongeveer de snelheid van een bescheiden boom op aarde.

Onderzoekers stellen zich voor dat een opgeschaalde versie van MOXIE naar Mars kan worden gestuurd voorafgaand aan een menselijke missie, om continu zuurstof te produceren met een snelheid van enkele honderden bomen. Bij die capaciteit zou het systeem voldoende zuurstof moeten genereren om zowel mensen te ondersteunen als ze eenmaal aankomen, en een raket van brandstof te voorzien om astronauten terug naar de aarde te brengen.

Tot nu toe is de constante output van MOXIE een veelbelovende eerste stap in de richting van dat doel.

"We hebben enorm veel geleerd dat toekomstige systemen op grotere schaal zal informeren", zegt Michael Hecht, hoofdonderzoeker van de MOXIE-missie bij MIT's Haystack Observatory.

MOXIE's zuurstofproductie op Mars vertegenwoordigt ook de eerste demonstratie van "in-situ gebruik van hulpbronnen", wat het idee is om de materialen van een planeet (in dit geval koolstofdioxide op Mars) te oogsten en te gebruiken om hulpbronnen (zoals zuurstof) te maken die zouden anders moeten worden vervoerd vanaf de aarde.

"Dit is de eerste demonstratie van het daadwerkelijk gebruiken van hulpbronnen op het oppervlak van een ander planetair lichaam en deze chemisch te transformeren in iets dat nuttig zou zijn voor een menselijke missie", zegt Jeffrey Hoffman, plaatsvervangend hoofdonderzoeker van MOXIE, een professor in de praktijk in de afdeling van MIT. van luchtvaart en ruimtevaart. "In die zin is het historisch."

Hoffman en Hecht's MIT-co-auteurs zijn onder meer MOXIE-teamleden Jason SooHoo, Andrew Liu, Eric Hinterman, Maya Nasr, Shravan Hariharan en Kyle Horn, samen met medewerkers van meerdere instellingen, waaronder NASA's Jet Propulsion Laboratory, dat de ontwikkeling van MOXIE, vluchtsoftware, verpakking en testen voorafgaand aan de lancering.

Seizoensgebonden lucht

De huidige versie van MOXIE is klein van opzet, om aan boord van de Perseverance-rover te passen, en is gebouwd om voor korte perioden te draaien, waarbij ze bij elke vlucht opstarten en afsluiten, afhankelijk van het verkenningsschema en de missieverantwoordelijkheden van de rover. Een zuurstoffabriek op ware grootte zou daarentegen grotere eenheden bevatten die idealiter continu zouden draaien.

Ondanks de nodige compromissen in het huidige ontwerp van MOXIE, heeft het instrument aangetoond dat het de atmosfeer van Mars op betrouwbare en efficiënte wijze kan omzetten in zuivere zuurstof. Het doet dit door eerst de Marslucht naar binnen te zuigen door een filter dat het van verontreinigingen reinigt. De lucht wordt vervolgens onder druk gezet en door de Solid OXide Electrolyzer (SOXE) gestuurd, een instrument ontwikkeld en gebouwd door OxEon Energy, dat de kooldioxiderijke lucht elektrochemisch splitst in zuurstofionen en koolmonoxide.

De zuurstofionen worden vervolgens geïsoleerd en opnieuw gecombineerd om ademende, moleculaire zuurstof of O₂ te vormen. , die MOXIE vervolgens meet op hoeveelheid en zuiverheid voordat het onschadelijk weer in de lucht wordt vrijgelaten, samen met koolmonoxide en andere atmosferische gassen.

Sinds de landing van de rover in februari 2021 hebben de technici van MOXIE het instrument gedurende het hele Marsjaar zeven keer opgestart, waarbij elke keer een paar uur nodig was om op te warmen, daarna nog een uur om zuurstof te maken voordat ze weer werden uitgeschakeld. Elke run was gepland op een ander tijdstip van de dag of nacht, en in verschillende seizoenen, om te zien of MOXIE verschuivingen in de atmosferische omstandigheden van de planeet kon opvangen.

"De atmosfeer van Mars is veel variabeler dan die van de aarde", merkt Hoffman op. "De dichtheid van de lucht kan gedurende het jaar met een factor twee variëren, en de temperatuur kan met 100 graden variëren. Een doel is om te laten zien dat we in alle seizoenen kunnen rennen."

Tot nu toe heeft MOXIE aangetoond dat het op bijna elk moment van de Marsdag en het jaar zuurstof kan maken.

"Het enige dat we niet hebben aangetoond, is hardlopen bij zonsopgang of zonsondergang, wanneer de temperatuur aanzienlijk verandert", zegt Hecht. "We hebben een troef in petto waarmee we dat kunnen doen, en zodra we dat in het laboratorium hebben getest, kunnen we die laatste mijlpaal bereiken om te laten zien dat we echt elk moment kunnen rennen."

Vooruitlopend op de wedstrijd

Terwijl MOXIE zuurstof blijft produceren op Mars, zijn ingenieurs van plan om de capaciteit te vergroten en de productie te verhogen, vooral in de Mars-lente, wanneer de atmosferische dichtheid en het kooldioxidegehalte hoog zijn.

"De volgende run die eraan komt, zal tijdens de hoogste dichtheid van het jaar zijn, en we willen gewoon zoveel mogelijk zuurstof maken", zegt Hecht. "Dus we zetten alles zo hoog als we durven, en laten het zo lang mogelijk draaien."

Ze zullen het systeem ook controleren op tekenen van slijtage. Aangezien MOXIE slechts een van de vele experimenten is aan boord van de Perseverance rover, kan het niet continu draaien zoals een volledig systeem zou doen. In plaats daarvan moet het instrument bij elke run opstarten en afsluiten - een thermische belasting die het systeem na verloop van tijd kan verslechteren.

Als MOXIE succesvol kan werken ondanks herhaaldelijk in- en uitschakelen, zou dit suggereren dat een volledig systeem, ontworpen om continu te werken, dit duizenden uren zou kunnen doen.

"Om een ​​menselijke missie naar Mars te ondersteunen, moeten we veel spullen van de aarde meenemen, zoals computers, ruimtepakken en habitats", zegt Hoffman. "Maar domme oude zuurstof? Als je het kunt halen, ga ervoor - je bent ver vooruit op het spel." + Verder verkennen

In de eerste plaats maakt Perseverance Mars rover zuurstof op een andere planeet