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。

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