「二氧化碳」历史性的突破:在火星上制造氧气
原文标题:历史性的突破:在火星上制造氧气
在距离地球近 1.5 亿千米的那颗尘土飞扬的红色星球的表面,一个只有饭盒大小的仪器,正在证明它能够可靠地完成一棵树的工作,那就是制造氧气。
自 2021 年 4 月以来,也就是MOXIE(火星氧气原位资源利用实验)作为 " 毅力号 " 火星车的一部分降落到火星表面两个月之后,它一直利用火星富含二氧化碳的大气中制造氧气。
毅力号上的科学仪器。右下角示意图中黄色部分便是 MOXIE。(图/NASA)
在发表在《科学进展》上的一篇论文中,研究人员报告,到 2021 年底,MOXIE 在各种大气条件下,包括在白天和晚上,以及在不同的火星季节,进行了 7 次实验性的氧气生产。在每次运行中,仪器都达到了每小时生产约 6 克氧气的目标,大约相当于地球上一棵小树的制氧速度。
用火星空气制氧
目前版本的 MOXIE 设计得很小,质量不到 20 千克,以便它被安装在毅力号上。
洁净室里的 MOXIE。(图/NASA/JPL-Caltech)
尽管目前的设计存在一些必要的妥协,但这台仪器已经表明,它能可靠且有效地将火星大气转化为纯氧。
它的做法是,首先通过一个过滤器,将火星空气吸入,清除其中的污染物。然后空气被加压,并被送入固体氧化物电解槽(SOXE),通过电化学方法将富含二氧化碳的空气分解成氧离子和一氧化碳。
接下来,氧离子被分离并重新组合,形成可供呼吸的分子氧。MOXIE 会测量分子氧的生成量和纯度,然后将它与一氧化碳和其他大气气体一起无害地释放回空气中。
目前,MOXIE 仅需满足短期运行。根据研究团队安排的探测时间表,它在每次运行的前后都会启动和关闭。
自 2021 年 2 月着陆以来,MOXIE 的工程师在一个火星年中启动了 7 次仪器,每次都需要几个小时来预热,然后再花一个小时来制造氧气,最后再关闭电源。
每次运行被安排在白天或晚上的不同时间,以及不同的季节,以便观察 MOXIE 是否能适应这个星球大气条件的各种变化。这是因为,火星的大气比地球的要多变得多。空气密度在一年中可以产生大约 2 倍的差异,温度也会有数十度甚至更高的波动。
毅力号着陆点的大气密度变化预测。(图/Hoffman, J. A. et al., 2022)
到目前为止,MOXIE 已经证明,它几乎可以在火星一年里的任何季节、一天中的任何时间制造氧气。团队唯一还没有证明的是,仪器在黎明或黄昏时运行的状况,这两个时段温度正在发生明显变化。他们有信心可以做到这一点,一旦实验室测试完成后,就可以达到最后这个里程碑。
迈出的第一步
随着 MOXIE 继续在火星上制造氧气,工程师正计划提高它的能力,增加产量,特别是在火星的春季,当大气密度和二氧化碳水平较高时。
下一次运行将被安排在火星一年中密度最高的时候。团队会把一切都设置得尽可能高,并让它尽可能长时间地运行。
同时,他们还将监测这一系统的磨损迹象。由于每次运行都需要开启和关闭,这有可能让系统退化。
MOXIE 只是一个测试模型,研究人员设想,它的放大版可以在人类任务之前被送往火星,而且最好可以连续运行,以几百棵树的制氧速度持续生产氧气。
在这种能力下,这个系统应产生足够的氧气,能维持人类到达后的生活,并为火箭提供燃料,让航天员返回地球。到目前为止,MOXIE 的稳定输出是朝着这个目标迈出的有希望的第一步。
MOXIE 在火星上生产氧气也代表了 " 原位资源利用 " 的首次展示,这种想法其实就是,收集并利用一颗星球上的材料(对 MOXIE 而言就是火星上的二氧化碳),来制造出原本不得不从地球上运输来的资源(氧气)。
也就是说,这是第一次实际利用另一颗行星表面的资源,并利用化学转化为对人类任务有用的东西。从这个意义上说,这项实验是历史性的。
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