Produkcja tlenu na Marsie idzie pełną parą. Rekordowe wyniki

18 lutego 2021 roku na Czerwonej Planecie wylądował łazik Perseverance. W jego wnętrzu inżynierowie ukryli urządzenie o nazwie MOXIE (Mars Oxygen In Situ Resource Utilization Experiment). Jego zadaniem jest przekształcanie bogatej w dwutlenek węgla atmosfery Marsa w tlen. Teraz naukowcy z NASA donoszą o ustanowieniu rekordu w wytwarzaniu tlenu na Czerwonej Planecie. Niedawno badacze osiągnęli maksymalny poziom produkcji MOXIE — dwukrotnie wyższy niż do tej pory.

MOXIE pojawił się na Marsie, jako urządzenie mające zademonstrować działanie technologii. Ma tylko pokazać, że technologia jest wykonalna i że przyszły, znacznie większy system mógłby zostać wykorzystany do wytwarzania tlenu na Czerwonej Planecie. Tego typu technologia może umożliwić obecność człowieka na Marsie. Wyprodukowany tam tlen mógłby posłużyć jako składnik paliwa rakietowego, co pozwoliłoby na powrót astronautów do domu. Mógłby zapewnić także powietrze potrzebne do oddychania dla samych astronautów.

Dla rakiet i astronautów tlen jest kluczowy. Wyniesienie czterech astronautów w przestrzeń kosmiczną z Marsa, jak obliczyli specjaliści z NASA, będzie wymagać około siedem ton paliwa rakietowego i 25 ton tlenu. Znacznie mniej tlenu, bo około jedną tonę, będą potrzebować do oddychania astronauci mieszkający i pracujący przez rok na Czerwonej Planecie.

Dalsza część artykułu pod materiałem wideo

Oczywiście nie trzeba nikogo przekonywać, że transport takich ilości tlenu z Ziemi byłby kosztownym zadaniem. Dlatego uczeni opracowali swego rodzaju konwerter tlenu. Pierwszy raz MOXIE został uruchomiony 20 kwietnia 2021 roku. Zdołał wtedy wyprodukować pięć gramów tlenu (według szacunków ekspertów z NASA, na około 10 minut oddychania) z marsjańskiej atmosfery. Udana demonstracja technologii potwierdziła założenia naukowców – urządzenie podobne do MOXIE, ale znacznie większe i bardziej wydajne, to bardziej ekonomiczne i praktyczne rozwiązanie, niż transport surowca z Ziemi.

Atmosfera Marsa składa się blisko w 96 proc. z dwutlenku węgla. Pozostałe 4 proc. to głównie azot i argon. Tlen stanowi jedynie 0,13 proc. składu marsjańskiej atmosfery. MOXIE działa poprzez oddzielanie atomów tlenu od cząsteczek dwutlenku węgla, które składają się z jednego atomu węgla i dwóch atomów tlenu.

MOXIE zasysa marsjańskie powietrze i przepuszcza je przez filtry, co ma na celu usunięcie zanieczyszczeń. Potem powietrze trafia do urządzenia SOXE, które w procesach elektrochemicznych rozdziela powietrze na jony tlenu oraz tlenek węgla. Następnie jony tlenu są izolowone i rekombinowane w celu wytworzenia tlenu cząsteczkowego. Ostatecznie tlen trafia do atmosfery Marsa.

Proces konwersji wymaga wysokich temperatur – około 800 stopni Celsjusza. Dlatego MOXIE został wykonany z materiałów odpornych na ciepło. Urządzenie zostało wydrukowane w drukarce 3D ze stopu niklu oraz lekkiego aerożelu. Cienka złota powłoka na zewnętrznej stronie MOXIE zapobiega wypromieniowaniu ciepła na zewnątrz, co potencjalnie mogłoby uszkodzić inne instrumenty łazika.

Prace MOXIE zaplanowano na kilka etapów. Początkowo chciano jedynie sprawdzić i scharakteryzować działanie instrumentu. Teraz przyszedł czas na, jak to ujął Michael Hecht z Massachusetts Institute of Technology, gdzie zaprojektowano MOXIE, moment, w którym "będziemy przesuwać granice". Chodzi tu o wypróbowanie działania sprzętu w innych trybach pracy, porównując wydajność procesu w różnych warunkach i temperaturach.

Wpływ MOXIE na atmosferę Czerwonej Planety jest niezauważalny. MOXIE w swojej obecnej formie wytwarza tlen odpowiadający średniej wielkości drzewu. Urządzenie działa wyłącznie, gdy łazik Perseverance nie jest zajęty innymi zadaniami. Od czasu lądowania włączano je 15 razy. W całym ubiegłym roku łącznie pracowało około 1000 minut. MOXIE jest tylko jednym z kilku eksperymentów na pokładzie łazika Perseverance i nie może działać nieprzerwanie.

6 czerwca MOXIE pracował przez 58 minut. Celem było wyprodukowanie 6 gramów tlenu. Skończyło się na wytworzeniu 12 gramów. To rezultat powyżej oczekiwań, ale badacze celowo pozmieniali parametry urządzenia, by uzyskać maksymalną produktywność. - Uzyskaliśmy świetne wyniki – przyznał Hecht i jednocześnie zaznaczył, że był to ryzykowny manewr, który mógł doprowadzić do uszkodzenia instrumentu. Hecht dodał, że wyzwaniem przez cały czas było zdefiniowanie sposobów wydajniejszego działania na Marsie poprzez wytwarzanie większej wydajności tlenu.

Sukces MOXIE ma ogromne znaczenie dla potencjalnych misji załogowych na Marsa, ponieważ demonstruje zdolność do generowania niezbędnego tlenu dla astronautów. Ewentualna przyszła misja mogłaby być wyposażona w znacznie większe urządzenie, działające nieprzerwanie, a nie tylko przez godzinę, produkujące dziesiątki ton tlenu potrzebnego do wytworzenia powietrza nadającego się do oddychania dla astronautów, a także ilość paliwa potrzebną do zatankowania rakiety umożliwiającej powrót do Ziemia.

Źródło: Space.com, IFLScience, fot. NASA/JPL-Caltech. Na zdjęciu instrument MOXIE podczas instalacji na łaziku Perseverance.