MOXIE实验可靠地在火星上制造氧气

诸平

Credit: Pixabay/CC0 Public Domain

In a study published today, researchers report that, by the end of 2021, the MIT-led MOXIE project was able to produce oxygen on seven experimental runs on the Red Planet. Credits: Credit: NASA/JPL-Caltech

Fig. 1. MOXIE with the front cover removed, showing compressor and SOXE assemblies.

Table 1. Seven oxygen-producing cycles successfully completed by MOXIE in 2021.

据美国麻省理工学院（Massachusetts Institute of Technology简称MIT）2022年8月31日报道，火星氧气ISRU实验（Mars Oxygen ISRU Experiment简称MOXIE）可靠地在火星上制造氧气（MIT’s MOXIE experiment reliably produces oxygen on Mars）。

在距离地球近1亿英里的火星上，一个午餐盒大小的仪器正在证明，它可以可靠地完成一棵小树的光合作用制氧工作。

麻省理工学院（MIT）领导的火星氧气原位资源利用实验(Mars Oxygen In-Situ Resource Utilization Experiment或者MOXIE)，自2021年2月以来一直成功地从这颗红色星球富含二氧化碳的大气层中制造氧气（oxygen），当时它作为美国宇航局“毅力漫探者”任务（NASA's Perseverance rover mission）的一部分降落在火星表面。

2022年8月31日发表在《科学进展》(Science Advances)杂志网站的一项研究——Jeffrey A. Hoffman, Michael H. Hecht, Donald Rapp, Joseph J. Hartvigsen, Jason G. Soohoo, Asad M. Aboobaker, John B. Mcclean, Andrew M. Liu, Eric D. Hinterman, Maya Nasr, Shravan Hariharan, Kyle J. Horn, Forrest E. Meyen, Harald Okkels, Parker Steen, Singaravelu Elangovan, Christopher R. Graves, Piyush Khopkar, Morten B. Madsen,   Gerald E. Voecks, Peter H. Smith, Theis L. Skafte, Koorosh R. Araghi, David J. Eisenman. Mars Oxygen ISRU Experiment (MOXIE)—Preparing for human Mars exploration. Science Advances, 31 Aug 2022, 8 (35). DOI: 10.1126/sciadv.abp8636. https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abp8636

在此文中，研究人员报告称，到2021年底，MOXIE已经能够在不同的大气条件下(包括白天和黑夜)和不同的火星季节进行7次实验，产生氧气（见上述Table 1）。

参与此项研究的除了来自MIT研究人员之外，还有来自美国北盐湖城OxEon能源公司（OxEon Energy, North Salt Lake City, USA）、美国加州理工学院（California Institute of Technology, Pasadena, USA）、美国戈尔登月球前哨公司（Lunar Outpost Inc., Golden, USA）、美国帕洛阿尔托的努恩能源公司（Noon Energy, Palo Alto, USA）、美国纳蒂克的数学工场（MathWorks, Natick, USA）、美国图森的空间探测仪器公司（Space Exploration Instruments, Tucson, USA）、休斯顿的美国宇航局约翰逊航天中心（NASA Johnson Space Center, Houston, USA）以及丹麦哥本哈根大学尼尔斯玻尔研究所（Niels Bohr Institute, University of Copenhagen, Copenhagen, Denmark）的研究人员。

在7次实验的每一次运行中，仪器都达到了每小时产生6 g氧气的目标，大约是地球上一棵普通树木产生氧气的速度。

研究人员设想，一个放大版的MOXIE可以在人类执行任务之前被送往火星，以数百棵树的速度持续生产氧气。在这样的容量下，该系统应该能产生足够的氧气，既能在人类抵达后维持生命，又能为火箭提供燃料，让宇航员返回地球。到目前为止，MOXIE的稳定产出是朝着这个目标迈出的有希望的第一步。

MIT的干草堆天文台(MIT's Haystack Observatory) MOXIE任务的首席研究员迈克尔·赫克特(Michael Hecht)说:“我们已经了解了大量信息，这些信息将在更大范围内为未来的系统提供信息。”

MOXIE在火星上的氧气生产也代表了“原地资源利用（in-situ resource utilization）”的第一次展示，这是一种收集和使用行星的材料(在这种情况下，火星上的二氧化碳)来制造资源(如氧气)，否则必须从地球上运输。

MOXIE的副首席研究员、麻省理工学院航空航天系教授杰弗里·霍夫曼（Jeffrey Hoffman）说:“这是第一次展示实际使用另一个行星体表面的资源，并将其化学转化为对人类任务有用的东西。从这个意义上说，这是历史性的。”

杰弗里·霍夫曼和迈克尔·赫克特在麻省理工学院的合著者包括MOXIE团队成员詹森·苏霍（Jason SooHoo）、安德鲁·刘（Andrew Liu）、埃里克·欣特曼（Eric Hinterman）、马亚·纳斯（Maya Nasr）、施雷范·哈里哈伦（Shravan Hariharan）和凯尔·霍恩（Kyle Horn），以及来自多个机构的合作者，包括NASA喷气推进实验室（NASA's Jet Propulsion Laboratory），该实验室负责管理MOXIE的开发、飞行软件、包装和发射前测试。

季节性大气（Seasonal air）

目前版本的MOXIE在设计上很小，以便与“毅力”号火星车（Perseverance rover）安装在一起，它可以在短时间内运行，根据火星车的探索计划和任务职责，每次运行都会启动和关闭。相比之下，一个全面的氧气工厂将包括更大的单元，理想情况下可以连续运行。

尽管MOXIE目前的设计做出了必要的妥协，但该仪器已经表明，它可以可靠而有效地将火星大气转化为纯氧。它首先通过过滤器将火星空气吸入，以清除污染物。然后，空气被加压，并通过固体氧化物电解槽(Solid OXide Electrolyzer简称SOXE)，这是一种由OxEon能源公司开发和制造的仪器，通过电化学将富含二氧化碳的空气分解为氧离子（oxygen ions）和一氧化碳（ carbon monoxide）。

然后，氧离子被分离并重新组合，形成可供呼吸的分子氧（O₂），然后MOXIE测量其数量和纯度，再将其与一氧化碳和其他大气气体一起无害地释放回空气中。

自从探测器于2021年2月着陆以来，MOXIE的工程师在火星的一年中已经启动了仪器7次，每次都需要几个小时的预热，然后再花一个小时制造氧气，然后再关闭电源。每次运行都安排在不同的白天或夜晚，以及不同的季节，以观察MOXIE是否能适应火星大气条件的变化。

杰弗里·霍夫曼指出:“火星的大气层远比地球多变。全年空气密度会有两倍的变化，温度会有100度的变化。其中一个目标就是展示我们可以在所有季节运行。”

到目前为止，MOXIE已经表明，它几乎可以在火星上的任何时间制造氧气。迈克尔·赫克特说:“我们唯一没有证明的是，在气温发生重大变化的黎明或黄昏进行运作。我们的手里有一张王牌，可以让我们做到这一点，一旦我们在实验室测试，我们就可以达到最后一个里程碑，表明我们真的可以在任何时候都可以运行。”

捷足先登（Ahead of the game）

随着MOXIE继续在火星上大量制造氧气，工程师们计划提高它的产能，增加它的产量，特别是在火星的春天，那时大气密度和二氧化碳水平都很高。

迈克尔·赫克特说:“下一次运行将在一年中大气密度最高的时候，我们只是想制造尽可能多的氧气。所以我们会把一切都设得尽可能高，让它尽可能长时间的运作。”

他们还将监测系统的磨损迹象。由于MOXIE只是“毅力”号探测器上几个实验中的一个，它不能像一个完整的系统那样连续运行。相反，此仪器必须在每次运行的热应力下启动和关闭，随着时间的推移，系统也会退化。

如果MOXIE能够在反复开关的情况下成功运行，这将意味着一个完整的系统，设计为连续运行，可以这样运行数千小时。

杰弗里·霍夫曼说:“为了支持人类的火星探索任务，我们必须从地球上带来很多东西，比如电脑、宇航服（spacesuits）和栖息地（habitats）。而且还有那又蠢又老的氧气。如果你能就地取材，那就可以轻装上阵，遥遥领先。”

此项研究得到了美国国家航空航天局(National Aeronautics and Space Administration：NNH17CH01C；80NM0018D0004)的资助。

上述介绍，仅供参考。欲了解更多信息，敬请注意浏览原文或者相关报道。

In first, Perseverance Mars rover makes oxygen on another planet

Abstract

MOXIE [Mars Oxygen In Situ Resource Utilization (ISRU) Experiment] is the first demonstration of ISRU on another planet, producing oxygen by solid oxide electrolysis of carbon dioxide in the martian atmosphere. A scaled-up MOXIE would contribute to sustainable human exploration of Mars by producing on-site the tens of tons of oxygen required for a rocket to transport astronauts off the surface of Mars, instead of having to launch hundreds of tons of material from Earth’s surface to transport the required oxygen to Mars. MOXIE has produced oxygen seven times between landing in February 2021 and the end of 2021 and will continue to demonstrate oxygen production during night and day throughout all martian seasons. This paper reviews what MOXIE has accomplished and the implications for larger-scale oxygen-producing systems.