To Make Oxygen on Mars, NASA’s Perseverance Rover Needs MOXIE

Postawienie butów na Marsie nie jest łatwe, ale jest o wiele łatwiejsze niż sprowadzenie ich z powrotem.
W tym tygodniu NASA wystrzeli łazik Perseverance w podróż w jedną stronę na powierzchnię Marsa. Wśród wielu innych narzędzi, statek niesie eksperymentalny instrument, który może pomóc astronautom w przyszłości w podróżach dookoła planety. Mars Oxygen In-Situ Resource Utilization Experiment, lub MOXIE, jest niewielki, wielkości baterii samochodowej. Został zaprojektowany, aby zademonstrować technologię, która przekształca dwutlenek węgla w tlen w procesie zwanym elektrolizą. Cienka atmosfera Marsa składa się w 95 procentach z dwutlenku węgla, ale wysłanie czegokolwiek w kosmos wymaga paliwa, a spalanie tego paliwa wymaga tlenu. NASA mogłaby wysyłać ciekły tlen na planetę, ale potrzebna objętość zajmuje dużo miejsca.
MOXIE może wskazać drogę do rozwiązania. Jeśli się powiedzie, większa wersja technologii produkcji tlenu MOXIE mogłaby zostać wykorzystana do wystrzelenia rakiety do domu. „NASA zdecydowanie nie chce po prostu zostawić ludzi na Marsie,” mówi Asad Aboobaker, inżynier z Jet Propulsion Laboratory NASA.

Michael Hecht, zastępca dyrektora w MIT odpowiedzialny za MOXIE, mówi, że od lat 90-tych, dyskusje na temat eksploracji Marsa zawsze wracały do listy czterech otwartych pytań. Dwa z nich dotyczyły udowodnienia, że Mars jest wystarczająco bezpieczny dla misji ludzkich, ponieważ naga atmosfera planety zagraża wszystkim na jej powierzchni burzami pyłowymi i promieniowaniem. Te pytania zostały rozwiązane. Mars Odyseja 2001 zmierzyła promieniowanie na i wokół planety, informując jak osłony dla astronautów będą musiały być skonstruowane. Po 2007 roku lądownik Phoenix zbadał skład chemiczny pyłu i gleby Marsa i znalazł składniki odżywcze, które mogłyby wspierać ziemskie rośliny. Inne pytanie dotyczyło tego, jak duże pojazdy mogłyby wylądować na planecie. Ten problem został rozwiązany, ponieważ cztery łaziki NASA bezpiecznie wylądowały na planecie w latach 1996-2011. Czwarte pytanie, wciąż bez odpowiedzi, zastanawiało się, jak możemy przynieść wszystkie niezbędne zasoby na Marsa.

Największym zasobem, który pozostał nierozwiązany, według Hechta, jest materiał pędny potrzebny do lotu do domu. „Wszystko co musisz zrobić, aby się o tym przekonać, to spojrzeć na rakietę startującą z Ziemi”, mówi Hecht. „Jest tam ogromny zbiornik tlenu, aby podnieść małą, maleńką kapsułę na górze.”

MOXIE jest tylko jednym z narzędzi łazika Perseverance wartego 2 miliardy dolarów; statek zawiera również helikopter marsjański i SHERLOC, laser ultrafioletowy, który będzie skanował w poszukiwaniu oznak starożytnego życia. Pomimo pozłacania MOXIE wygląda skromnie, jak na swoją ambitną misję. Obudowa eksperymentu to z grubsza sześcienne pudełko, mierzące około stopy w każdym wymiarze.

Wewnątrz tej schludnej obudowy znajduje się kompresor, filtr i rygorystycznie testowany stos ceramiczny, który przeprowadza reakcję elektrolizy. Każdy element musi działać zdalnie, precyzyjnie i w warunkach, które dławią ruchome części i zużywają cenny sprzęt.

Atmosfera na Marsie jest 170 razy cieńsza niż na Ziemi. Nawet jeśli powietrze jest tak bogate w dwutlenek węgla, niskie ciśnienie oznacza, że ilość powietrza unosząca się w reaktywnym rdzeniu MOXIE nie wytworzy zbyt wiele tlenu. Sprężarka MOXIE zasysa jednak pobliski dwutlenek węgla i podaje go do jednostki elektrolizy pod ciśnieniem zbliżonym do ziemskiego. Tam, katalizator chemiczny pracujący w temperaturze 800 stopni Celsjusza odrywa atom tlenu od każdego wchodzącego CO2. Pary atomów tlenu szybko łączą się, tworząc stabilny tlen dwuatomowy, który wychodzi razem z tlenkiem węgla.

Ponieważ MOXIE działa w tak wysokiej temperaturze, utrzymanie sprzętu w bezpiecznej odległości od siebie i reszty narzędzi Perservance wymaga zaawansowanej technologicznie izolacji. Sprawę jeszcze bardziej komplikuje fakt, że Mars jest zimną planetą. Jego skąpa atmosfera z trudem zatrzymuje dzienne ciepło, więc Perseverance może spodziewać się ogromnych wahań temperatury, od możliwych maksimów w okolicach 60 stopni Fahrenheita do niskich temperatur sięgających 130 stopni poniżej zera. „Chcemy pokazać, że możemy działać w dzień i w nocy, w zimie i w lecie, i kiedy jest zakurzone… we wszystkich różnych środowiskach”, mówi Hecht.

Zaizolowanie eksperymentu wysokotemperaturowego do pracy w takich warunkach było trudne, według Aboobakera, który jest zaangażowany w testowanie MOXIE w NASA Jet Propulsion Laboratory od 2014 roku. „Jak to zbudować? I jak to opakować w sposób, który przetrwa start?”, mówi. „Było dużo iteracji.”

Inżynierowie NASA wykorzystali aerożele opracowane na potrzeby zupełnie innego projektu jako lekki i wytrzymały izolator. Każde rozwiązanie tego typu zwiększało prawdopodobieństwo sukcesu, a nawet odkrywało nowe odkrycia naukowe – zespół opublikował niedawno badania na temat działania filtrów w symulowanej atmosferze marsjańskiej. „Nauczyliśmy się już tak wiele, nawet nie lecąc na Marsa” – mówi Hecht.

Jak twierdzi Hecht, napięty harmonogram Perseverance stanowi również ogromne wyzwanie techniczne dla działania MOXIE. Instrument musi cyklicznie się włączać i wyłączać, aby dzielić cenną energię baterii z innymi instrumentami na pokładzie. Wszystkie te zatrzymania i rozruchy – zamarzanie i parowanie – są uciążliwe dla systemu. Testy MOXIE wykazały, że taka cykliczność degraduje eksperyment na wiele sposobów. Zespół zastosował poprawki – takie jak recyrkulacja tlenku węgla, aby zapobiec degradacji miejsca reakcji przez dwutlenek węgla – w celu rozwiązania problemu cykliczności, który według Hechta był „najtrudniejszym problemem”.

NASA zakończyła prace nad sprzętem w marcu 2019 roku. Ponieważ Perseverance nie wyląduje do lutego przyszłego roku, sprzęt MOXIE będzie nieużywany przez prawie dwa lata. „Na początek, samo siedzenie na półce przez dwa lata jest wyzwaniem” – mówi Hecht. „Nie wspominając już o ekstremalnym zużyciu, przez jakie przechodzi pomiędzy opuszczeniem półki a włączeniem na Marsie.”

Pytany, czy jest to główny powód do zmartwień, Aboobaker odpowiada „Nie – ponieważ zaprojektowaliśmy go z myślą o tym.”

Jedną z utrzymujących się niepewności, według Hechta, jest pozwolenie MOXIE na samodzielne działanie bez kogoś w pobliżu, kto mógłby nacisnąć przycisk wyłączający. Jeśli wadliwy czujnik spowoduje zbyt wysokie napięcie w instrumencie, może powstać węgiel pierwiastkowy i zrujnować eksperyment.

„W pełni oczekuję, że MOXIE zrobi to, co mówi, że zrobi”, mówi Julie Kleinhenz, ekspert NASA ds. zasobów, która nie jest zaangażowana w rozwój MOXIE. Ale Kleinhenz mówi, że MOXIE stoi przed tym, co nazywa „nieznanymi niewiadomymi”. Unikalne środowisko Marsa może kryć w sobie niespodzianki, takie jak nieznane efekty od pyłu. „Cały pomysł polega na tym, by spróbować czegoś, co jest dobrym pomysłem, zobaczyć, co to robi i otrzymać dane.”

Na Marsie sukces będzie nieco bezceremonialny. „Jeśli stałbyś obok łazika – oczywiście w skafandrze kosmicznym – prawdopodobnie nie byłbyś w stanie powiedzieć, że wiele się dzieje”, mówi Aboobaker.

MOXIE nie będzie napełniał żadnych zbiorników swoim tlenem. Zamiast tego naukowcy będą śledzić sukces za pomocą trzech niezależnych środków: czujnika ciśnienia na drodze gazu; cząsteczki fluorescencyjnej, która słabnie po zetknięciu się z tlenem; oraz prądu elektrycznego pochodzącego z reakcji. Perseverance przywiezie również mikrofony – pierwsze na jakiejkolwiek misji na Marsa. Naukowcy słuchający przekazu audio będą wypatrywać szumu zdrowego kompresora.

MOXIE jest długo oczekiwany, ale wytwarza tylko około sześciu gramów tlenu na godzinę, czyli mniej więcej tyle, ile oddycha corgi. Ludzie potrzebują kilka razy tyle, aby oddychać, a rakieta potrzebuje około 200 razy tyle tlenu, aby wrócić do domu. Dla naukowców sukces w ciągu jednego roku marsjańskiego – 687 ziemskich dni – byłby zielonym światłem do rozbudowy MOXIE poza skalę corgi. Ponieważ w pełni sprawna jednostka musiałaby również pracować 1000 razy dłużej niż MOXIE, inżynierowie mogą wykorzystać wyniki MOXIE, aby utrzymać projekty tak niezawodne i kompaktowe, jak to tylko możliwe. NASA może również zlecić inne eksperymenty z zasobami, takie jak produkcja metanu, w celu wytworzenia paliwa rakietowego. Ale ponieważ produkcja metanu wymaga znalezienia, wykopania i stopienia lodu na Marsie, Hecht mówi, że jest to bardziej prawdopodobne „gdy będziemy mieli buty na ziemi”. Niezależnie od przyszłych celów, czas orbity Marsa oznacza, że następna misja nie odbędzie się przez kolejne 26 lub 52 miesiące, co najmniej.

Pytany, czy kiedykolwiek zaakceptowałby możliwość odwiedzenia Marsa osobiście, Hecht śmieje się, mówiąc „Hej, nie czuję się komfortowo na szczycie drabiny”. Po głębszym zastanowieniu przyznaje, że nie mógłby przepuścić takiej okazji. Inżynier Aboobaker z NASA ma jedno zastrzeżenie. „Mars wydaje się być miłym miejscem do odwiedzenia” – mówi. „Byłoby super…gdybym mógł się upewnić, że będę mógł wrócić.”