Чуть больше месяца назад марсоход NASA Perseverance совершил смелую посадку на поверхность Марса, за которой наблюдали миллионы. Но теперь начинается настоящая работа. Глубоко внутри робота спрятан инструмент, предназначенный для вдыхания атмосферы Марса, богатой углекислым газом, и выдыхания кислорода. По сути, это механическое дерево, способное изменить будущее человечества на Красной планете.
NASA вовсю трудится над прибором, способным обеспечить человечество кислородом на Марсе, используя для этого ресурсы самой Красной планеты
Плотность атмосферы Марса составляет примерно 1% плотности Земли. Если мы мечтаем жить и работать на Красной планете, нам необходимо производить и хранить кислород.
«Что больше всего дышит в миссии на Марсе? Нет, не люди», — рассказал в интервью нашим зарубежным коллегам Майкл Хехт, заместитель директора по управлению исследованиями обсерватории Хейстэк Массачусетского технологического института и главный исследователь проекта NASA MOXIE. «Это ракета, которая доставит вас домой с чужой планеты».
По оценкам NASA, экипажу из четырех человек потребуется много топлива — примерно 6,8 тонн топлива и примерно 25 тонн кислорода — для создания тяги, необходимой для того, чтобы покинуть марсианскую поверхность и вернуться домой. Везти всю эту прорву кислорода с Земли – серьезная проблема для современной космонавтики.
Именно здесь на помощь приходит эксперимент по использованию кислородных ресурсов Mars Oxygen In-Situ Resource Utilization Experiment, или сокращенно MOXIE.
Размером примерно с автомобильный аккумулятор, MOXIE является одним из многих экспериментов NASA по использованию местных ресурсов (ISRU) и первым, кто отправился в космос. По сути, ISRU — это программа, в которой ученые исследуют для будущих космонавтов способы производить материалы и вещи из ресурсов, доступных на других мирах.
Производство кислорода - горячий процесс. MOXIE может достигать температуры до 800 градусов по Цельсию. Чтобы убедиться, что система не корродирует или не плавит окружающие ее компоненты, она заключена в коробку из алюминиевого сплава, покрытую тонким слоем золота, которое плохо излучает тепло и устойчиво к коррозии.
«Если мы действительно хотим покинуть планету и заняться чем-то помимо научной миссии, нам придется задуматься о том, чтобы жить за счет локальных ресурсов», — уверяет Джерри Сандерс, возглавляющий группу лидеров ISRU в Космическом центре имени Джонсона в Хьюстоне.
NASA вкладывает драгоценное время и много денег — около 50 миллионов долларов в случае MOXIE — в разработку стратегий создания самоподдерживающихся поселений на Луне и Марсе. После многих лет работы ученые наконец получили возможность выяснить, действительно ли MOXIE и другие подобные эксперименты работают на практике.
Как все устроено
MOXIE использует метод, называемый электролизом твердых оксидов. Сначала трубка фильтрует и закачивает марсианский углекислый газ в спиральный компрессор, который затем сжимает его до давления, аналогичного тому, которое мы могли бы испытать на уровне моря здесь, на Земле. Этот сжатый диоксид углерода отправляется в 10-элементную батарею для осуществления процесса электролиза – отсюда и название.
«Система электролиза, по сути, представляет собой сердце MOXIE», — рассказал Popular Mechanics Асад Абубейкер, сотрудник MOXIE и инженер-системотехник в Лаборатории реактивного движения НАСА в Пасадене.
Пакет состоит из слоев металла и специализированных керамических ячеек, которые используют ионы кислорода для проведения электричества при нагревании до высоких температур. «Если у вас есть приложенное напряжение, вы можете выборочно пропустить ионы кислорода через керамическую мембрану и отделить их от всего остального», — пояснил Абубейкер.
В результате на выходе получается кислород!
Самая большая белая трубка на верхней поверхности забирает отфильтрованную богатую углекислым газом марсианскую атмосферу, которая затем сжимается и пропускается через установку твердого оксидного электролиза, где разделяется на окись углерода и кислород. Самая маленькая трубка отправляет кислород, производимый MOXIE, через датчик состава для измерения чистоты перед выпуском кислорода в атмосферу Марса.
MOXIE — это отлаженная система. Углекислый газ попадает внутрь, а наружу выходят кислород и окись углерода — в данном случае безвредные побочные продукты. По словам Хечта, если в систему будет поступать слишком много электроэнергии, в качестве побочного продукта образуются углерод или сажа. С другой стороны, если приложить слишком низкое напряжение, слишком много углекислого газа может затопить систему и начать окислять прибор. «Мы должны оставаться в самой выгодной позиции между этими крайностями», — объясняет он.
Проблема масштабирования
На данный момент MOXIE — это просто демонстрация технологии. По оценкам Хечта, в следующие несколько лет MOXIE проработает в общей сложности около 10 часов. Каждый из двухчасовых экспериментов с прибором генерирует от 4 до 7 литров кислорода. Если учесть, что в земном воздухе содержится порядка 20-21% кислорода, то этого объема хватит для дыхания маленькому животному, например некрупной собаке.
Если MOXIE сможет успешно продемонстрировать способность генерировать кислород в текущей миссии, следующим шагом будут куда более серьезные испытания. По словам Хечта, ученые планируют создать компрессор большего размера и увеличить размер электролизных батарей в 100 раз. Система работает таким образом, что увеличение размера и количества блоков также увеличивает производство кислорода.
Усовершенствованный MOXIE, предназначенный для производства кислорода, достаточного для поддержки миссии с экипажем из четырех человек, должен будет проработать примерно 10 000 часов со выходом примерно 1400 — 2100 литров кислорода в час.
Но усиление нынешней конструкции MOXIE, чтобы она могла производить достаточно кислорода для поддержки небольшой колонии, — это всего лишь один маленький шаг на пути к устойчивому будущему человечества на Марсе. Есть несколько других ключевых вопросов, которые необходимо решить — например, марсианская погода.
Прогноз погоды
В "