Mettere stivali su Marte non è facile, ma è molto più facile che portarli indietro.
Questa settimana, la NASA lancia il suo rover Perseverance in un viaggio di sola andata sulla superficie di Marte. Tra molti altri strumenti, il mezzo trasporta uno strumento sperimentale che potrebbe aiutare gli astronauti in futuro a fare viaggi di andata e ritorno sul pianeta. Il Mars Oxygen In-Situ Resource Utilization Experiment, o MOXIE, è piccolo, delle dimensioni di una batteria per auto. È progettato per dimostrare una tecnologia che converte l’anidride carbonica in ossigeno con un processo chiamato elettrolisi. La sottile atmosfera di Marte è composta per il 95% da anidride carbonica, ma l’invio di qualsiasi cosa nello spazio richiede carburante, e bruciare quel carburante richiede ossigeno. La NASA potrebbe spedire ossigeno liquido sul pianeta, ma il volume necessario occupa una buona quantità di spazio.
MOXIE potrebbe mostrare la strada per una soluzione. In caso di successo, una versione su larga scala della tecnologia di produzione di ossigeno di MOXIE potrebbe essere utilizzata per lanciare un razzo verso casa. “La NASA non vuole assolutamente lasciare le persone su Marte”, dice Asad Aboobaker, un ingegnere del Jet Propulsion Laboratory della NASA.
Michael Hecht, un direttore associato del MIT responsabile di MOXIE, dice che dagli anni ’90, le discussioni sull’esplorazione di Marte sono sempre tornate a una lista di quattro domande aperte. Due ruotavano intorno alla prova che Marte è abbastanza sicuro per le missioni umane, poiché l’atmosfera nuda del pianeta minaccia qualsiasi cosa sulla sua superficie con tempeste di polvere e radiazioni. Queste domande sono state risolte. La Mars Odyssey del 2001 ha misurato le radiazioni sul pianeta e intorno ad esso, informando su come dovrebbero essere costruite le protezioni per gli astronauti. Dopo il 2007, il lander Phoenix ha profilato la polvere di Marte e la chimica del suolo, e ha trovato sostanze nutritive che potrebbero sostenere le piante della Terra. Un’altra domanda chiedeva come grandi veicoli potessero atterrare sul pianeta. Questa preoccupazione è stata affrontata quando quattro rover della NASA sono atterrati in sicurezza sul pianeta tra il 1996 e il 2011. La quarta domanda, ancora senza risposta, si chiedeva come potremmo portare tutte le risorse necessarie su Marte.
La più grande risorsa rimasta in sospeso, secondo Hecht, è un propellente necessario per un volo verso casa. “Tutto quello che dovete fare per convincervi di questo è guardare un razzo mentre viene lanciato dalla Terra”, dice Hecht. “C’è un enorme serbatoio di ossigeno per sollevare una piccola capsula in cima.”
MOXIE è solo uno degli strumenti del rover Perseverance da 2 miliardi di dollari; il mezzo include anche un elicottero marziano e SHERLOC, un laser ultravioletto che cercherà segni di vita antica. Nonostante la doratura di MOXIE, sembra umile per la sua ambiziosa missione. L’involucro dell’esperimento è una scatola approssimativamente cubica, che misura circa un piede in ogni dimensione.
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In quell’involucro ordinato si trovano un compressore, un filtro e una pila di ceramica rigorosamente testata che esegue la reazione di elettrolisi. Ogni elemento deve funzionare a distanza, con precisione, e in condizioni che soffocano le parti mobili e consumano il prezioso hardware.
L’atmosfera su Marte è 170 volte più sottile che sulla Terra. Anche se l’aria è così ricca di anidride carbonica, la bassa pressione significa che la quantità di aria ambiente che galleggia nel nucleo reattivo di MOXIE non produrrà molto ossigeno. Il compressore del MOXIE, tuttavia, aspira l’anidride carbonica nelle vicinanze e la invia all’unità di elettrolisi ad una pressione simile a quella terrestre. Lì, un catalizzatore chimico che opera a 800 gradi Celsius strappa un atomo di ossigeno da ogni CO2 in arrivo. Coppie di atomi di ossigeno si combinano rapidamente per formare l’ossigeno biatomico stabile, che esce con il monossido di carbonio.
Siccome MOXIE funziona così caldo, mantenere l’attrezzatura al sicuro da se stessa e dal resto degli strumenti di Perservance richiede un isolamento high-tech. A complicare ulteriormente la questione c’è il fatto che Marte stesso è un pianeta freddo. La sua scarsa atmosfera fa fatica a trattenere il calore del giorno, quindi Perseverance può aspettarsi enormi sbalzi di temperatura, da possibili massime di 60 Fahrenheit a minime di 130 sotto zero. “Vogliamo dimostrare che possiamo funzionare di giorno e di notte, d’inverno e d’estate, e quando è polveroso fuori… in tutti i diversi ambienti”, dice Hecht.
Isolare un esperimento ad alta temperatura per operare su tale è stato difficile, secondo Aboobaker, che è stato coinvolto nei test di MOXIE al Jet Propulsion Laboratory della NASA dal 2014. “Come si fa a costruirlo? E come si fa a confezionarlo in modo che sopravviva al lancio”, dice. “C’è stata molta iterazione.”
Gli ingegneri della NASA hanno usato aerogel sviluppati per un progetto completamente diverso come isolante leggero e durevole. Ogni soluzione come questa ha aumentato le probabilità di successo, e ha anche scoperto nuova scienza – il team ha recentemente pubblicato uno studio su come i filtri funzionano in un’atmosfera marziana simulata. “Abbiamo già imparato così tanto senza nemmeno andare su Marte”, dice Hecht.
Secondo Hecht, il fitto programma di Perseverance presenta anche una grande sfida tecnica per il funzionamento di MOXIE. Lo strumento deve accendersi e spegnersi ciclicamente per condividere la preziosa potenza della batteria con altri strumenti a bordo. Tutto questo fermarsi e riavviarsi, congelarsi e gonfiarsi, è duro per il sistema. I test di MOXIE hanno rivelato che questo ciclo degrada l’esperimento in molti modi. Il team ha usato delle correzioni – come il ricircolo di un po’ di monossido di carbonio per evitare che l’anidride carbonica degradasse il sito di reazione – per risolvere il problema del ciclaggio, che Hecht dice essere “il singolo problema più difficile”
NASA ha completato il suo lavoro sull’hardware nel marzo 2019. Poiché Perseverance non atterrerà fino al prossimo febbraio, l’hardware di MOXIE sarà rimasto inutilizzato per quasi due anni. “Per cominciare, stare seduti su uno scaffale per due anni è una sfida”, dice Hecht. “Per non parlare dell’abuso estremo che subisce tra l’uscita dallo scaffale e l’accensione su Marte.”
Chiedendo se questa è una preoccupazione importante a questo punto, Aboobaker risponde: “No, perché l’abbiamo progettato per questo.”
Un’incertezza persistente, secondo Hecht, è lasciare che MOXIE funzioni da solo senza qualcuno vicino che schiacci un pulsante di spegnimento. Se un sensore difettoso guida il voltaggio dello strumento troppo alto, il carbonio elementare potrebbe formarsi e rovinare l’esperimento.
“Mi aspetto pienamente che MOXIE faccia quello che dice di fare”, dice Julie Kleinhenz, un esperto di risorse della NASA non coinvolto nello sviluppo di MOXIE. Ma Kleinhenz dice che MOXIE affronta ciò che lei chiama “incognite sconosciute”. L’ambiente unico di Marte potrebbe riservare sorprese, come gli effetti sconosciuti della polvere. “L’intera idea qui è di provare qualcosa che sia una buona scommessa, vedere cosa fa e recuperare i dati.”
Su Marte, il successo sarà in qualche modo inconcludente. “Se tu fossi in piedi accanto al rover – in una tuta spaziale, ovviamente – probabilmente non saresti in grado di dire che sta succedendo molto in realtà”, dice Aboobaker.
MOXIE non riempirà nessun serbatoio con il suo ossigeno. Invece, gli scienziati tracceranno il successo con tre misure indipendenti: un sensore di pressione nel percorso del gas; una molecola fluorescente che si oscura dopo aver incontrato l’ossigeno; e una corrente elettrica dalla reazione. Perseverance porta anche dei microfoni, i primi in una missione su Marte. Gli scienziati che ascoltano il feed audio cercheranno il ronzio di un compressore sano.
MOXIE è molto atteso, ma produce solo circa sei grammi di ossigeno all’ora, circa il tasso di respirazione di un corgi. Gli esseri umani hanno bisogno di diverse volte quella quantità per respirare, e un razzo ha bisogno di circa 200 volte quell’ossigeno per tornare a casa. Per gli scienziati, un anno marziano di successo – 687 giorni terrestri – sarebbe una luce verde per scalare il MOXIE oltre la scala dei corgi. Poiché un’unità pienamente capace dovrebbe anche funzionare 1000 volte più a lungo di quanto farà MOXIE, gli ingegneri possono usare i risultati di MOXIE per mantenere i progetti il più possibile affidabili e compatti. E la NASA potrebbe commissionare altri esperimenti sulle risorse, come la produzione di metano, per fare carburante per razzi. Ma poiché produrre metano implica trovare, scavare e sciogliere il ghiaccio su Marte, Hecht dice che è più probabile “quando avremo gli stivali sul terreno”. Qualunque siano gli obiettivi futuri, i tempi dell’orbita di Marte significano che la prossima missione non avverrà per altri 26 o 52 mesi, almeno.
Chiedendo se accetterebbe mai l’opportunità di visitare Marte in persona, Hecht ride, dicendo: “Ehi, non sono a mio agio in cima a una scala”. Dopo averci pensato un po’ di più, ammette che non potrebbe rinunciare all’opportunità. L’ingegnere della NASA Aboobaker ha un avvertimento. “Marte sembra un bel posto da visitare”, dice. “Sarebbe fantastico… se potessi essere sicuro di poter tornare”.