NASA 「公事包」成功 7 次電解火星大氣製氧
在目前的狀態下,火星根本不適合地球人居住,因為其大氣層非常稀薄,比地球的密度小 100 多倍,並主要由二氧化碳組成。不過,最新刊於《科學進展》的研究指出,在火星這塵土飛揚、乾燥的外星環境中,有一個比公事包大一點的儀器一直在當地製造可讓人類呼吸的氧氣,可讓人類長期在火星生活。
該個裝置被稱為火星氧氣原位資源利用實驗 (MOXIE) ,是安裝在美國太空總署 (NASA) 毅力號探測器中間下方,並使用電解過程將火星上的二氧化碳分解成一氧化碳和氧氣。團隊指,從毅力號降落的 2021 年 2 月到 2021 年底, MOXIE 產出了 7 次氧氣,並會繼續這樣做。

Credit: NASA/JPL-Caltech
前 NASA 太空人及 MOXIE 副首席研究員 Jeffrey Hoffman 指出,這是首次實際使用另一個行星表面的資源,化學轉化為對人類任務有用的東西,是一個歷史性的實驗。
通過電解生產氧氣並非新鮮事:在國際太空站中就利用電解將水分解成氫和氧氣,補充站內可呼吸空氣的供應。然而,在火星上,水可能太珍貴而不能以這種方式製氧。
幸運的是,氧氣是許多化合物的組成部分,包括構成火星大氣約 96% 的二氧化碳——一種由一個碳和兩個氧原子組成的分子。將二氧化碳電解其組成元素已得到充分研究、已知和理解;挑戰是於地球上開發一種能夠有原料情況下,在火星上實現這一目標的儀器。
MOXIE 的氧氣生產需要多個步驟。首先, MOXIE 通過過濾器吸入火星空氣將之淨化。然後,這些空氣會被壓縮、加熱並通過固體氧化物電解器 (SOXE) 輸送。電解器會再將二氧化碳分解成一氧化碳和氧離子,而一氧化碳則排出至火星大氣。
氧離子其後會重新組合成分子氧, MOXIE 會在再次排出之前測量其製作量和純度。
團隊已經確定,這個過程可靠地產生了可呼吸的氧氣。經過數小時的預熱,每次實驗可運行 1 小時,然後斷電一段時間。在這 1 小時的運行中, MOXIE 可為一個太空人生產多達 10 克的氧氣,即約 20 分鐘的呼吸氧氣。在其 7 次測試中, MOXIE 每次產出 5.4 到 8.9 克的分子氧,總計 49.9 克。
由於火星的溫度和空氣密度變化很大,不僅從白天到黑夜,在一年中不斷變化的季節,MOXIE 都需要能夠在大範圍的溫度和空氣密度內運行,而這 7 次測試都顯示 MOXIE 能在各種條件下產氧。
MOXIE 首席研究員 Michael Hecht 指出,暫時唯一沒有證據的時段是在黎明或黃昏,此些時段的火星溫度會有巨大變化,但他強調有信心 MOXIE 能在這些時段通過未來的測試。
理想情況下,目標是建立一個可以持續運行的生命支持系統,但這系統需要比 MOXIE 大得多。 Hecht 去年曾表示,一小隊太空人在火星上 1 年需要大約 1 公噸的可呼吸氧氣。這還不包括回程途中推進劑所需的氧氣。據當時團隊估算,每次任務總共需要大約 500 噸氧氣。
下一次 MOXIE 的實驗將在一年中火星大氣最密集的時候進行,並盡可能量產生最多的氧氣。
這不僅會展示 MOXIE 的能力,還會展示其局限性,進而有助於為最終的載人火星任務建造更強大的機器。
來源:
Science Alert, A Briefcase-Sized Box Is Already Making Oxygen on Mars
報告:
Hoffman, J.A., Hecht, M.H., Rapp, D. & et al. (2022). Mars Oxygen ISRU Experiment (MOXIE)—Preparing for human Mars exploration. Science Advances 31 Aug 2022 Vol8, Issue 35. doi: 10.1126/sciadv.abp8636
文/AC