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工作。
麻省理工学院领导的火星氧气原位资源利用实验(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中制造氧气，当时它作为NASA毅力号火星车任务的一部分降落在火星表面。
在今天发表在《科学进展》杂志上的一项研究中，研究人员报告说，到2021年底，MOXIE能够在各种大气条件下(包括白天和黑夜)以及通过不同的火星季节在七次实验中产生氧气。在每次运行中，该仪器都达到了每小时产生六克氧气的目标 - 大约是地球上一棵适度树木的速度。
研究人员设想，MOXIE的放大版本可以在人类任务之前被送往火星，以数百棵树的速度持续产生氧气。在这种能力下，该系统应该产生足够的氧气，以便在人类到达后维持人类，并为返回地球的宇航员提供火箭燃料。
到目前为止，MOXIE的稳定产量是朝着这一目标迈出的充满希望的第一步。
“我们已经学到了大量知识，这些知识将在更大规模上为未来的系统提供信息，”麻省理工学院干草堆天文台MOXIE任务的首席研究员Michael Hecht说。
MOXIE在火星上的氧气生产也代表了“原位资源利用”的首次证明，即收获和使用行星的材料(在这种情况下，火星上的二氧化碳)来制造资源(如氧气)，否则这些资源将不得不从地球运输。
“这是第一次实际使用另一个行星体表面的资源，并将它们化学转化为对人类任务有用的东西，”MOXIE副首席研究员杰弗里霍夫曼说，他是麻省理工学院航空航天系的实践教授。“从这个意义上说，这是历史性的。
霍夫曼和赫克特的麻省理工学院合著者包括MOXIE团队成员杰森·苏霍，安德鲁·刘，埃里克·辛特曼，玛雅·纳斯尔，什拉万·哈里哈兰和凯尔·霍恩，以及来自多个机构的合作者，包括宇航局的喷气推进实验室，该实验室在发射前管理MOXIE的开发，飞行软件，包装和测试。
季节性空气
MOXIE的当前版本在设计上很小，以便安装在毅力号火星车上，并且被建造为短时间运行，每次运行都会启动和关闭，具体取决于漫游车的探索时间表和任务职责。相比之下，一个全面的氧气工厂将包括更大的装置，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，但该仪器已经证明它可以可靠而有效地将火星大气转化为纯氧。它首先通过过滤器吸入火星空气，以清除污染物。然后空气被加压，并通过固体OXide电解槽(SOXE)发送，这是一种由OxEon Energy开发和制造的仪器，它电化学地将富含二氧化碳的空气分解成氧离子和一氧化碳。
然后，氧离子被分离并重新组合成可呼吸的分子氧或O2，然后MOXIE测量数量和纯度，然后将其无害地释放回空气中，以及一氧化碳和其他大气气体。
自火星车于2021年2月着陆以来，MOXIE工程师在整个火星年中已经启动了该仪器七次，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，然后再重新供电。每次运行都安排在白天或晚上的不同时间，以及不同的季节，看看MOXIE是否能够适应地球大气条件的变化。
“火星的大气层比地球多变得多，”霍夫曼指出。“空气的密度在一年中可以变化两倍，温度可以变化100度。一个目标是证明我们可以在所有季节中运行。
到目前为止，MOXIE已经表明，它几乎可以在火星日和一年中的任何时间产生氧气。
“我们唯一没有证明的是黎明或黄昏跑步，当温度发生重大变化时，”赫克特说。“我们确实有一张王牌可以让我们做到这一点，一旦我们在实验室中测试了这一点，我们就可以达到最后一个里程碑，表明我们真的可以随时运行。
领先一步
随着MOXIE继续在火星上产生氧气，工程师计划提高其产能，并增加其产量，特别是在火星春季，当大气密度和二氧化碳水平很高时。
“接下来的运行将在今年的最高密度下进行，我们只想尽可能多地制造氧气，”赫克特说。“所以我们会把一切都定得尽可能高，让它尽可能长地运行。
他们还将监控系统是否有磨损迹象。由于MOXIE只是毅力号火星车上的几个实验中的一个，它不能像全尺寸系统那样连续运行。相反，仪器必须在每次运行时启动和关闭 - 这种热应力会随着时间的推移而降低系统性能。
如果MOXIE可以在反复打开和关闭的情况下成功运行，这表明设计为连续运行的全尺寸系统可以连续运行数千小时。
“为了支持人类火星任务，我们必须从地球上带来很多东西，比如计算机、宇航服和栖息地，”霍夫曼说。“可是笨重的老氧呢?如果你能在那里成功，那就去做吧——你远远领先于比赛。
这项研究部分得到了宇航局的支持。
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