Целью MOXIE было производство кислорода с чистотой не менее 98% со скоростью 6–10 граммов в час (0,21–0,35 унций/час) и сделать это не менее десяти раз, чтобы устройство можно было тестировать в диапазоне раз. дня, в том числе ночью, и в большинстве условий окружающей среды, в том числе во время пыльной бури . [1]
Разработка
MOXIE основывается на более раннем эксперименте - Mars In-situ Precursor для производства топлива (MIP), который был спроектирован и построен для полетов в рамках миссии Mars Surveyor 2001 Lander . [5] MIP был предназначен для демонстрации производства топлива на месте (ISPP) в лабораторном масштабе с использованием электролиза углекислого газа для получения кислорода. [6] Демонстрационный полет MIP был отложен, когда миссия спускаемого аппарата Mars Surveyor 2001 была отменена после провала миссии Mars Polar Lander . [7] [8]
Для процесса преобразования требуется температура около 800 ° C (1470 ° F). [4] Твердооксидный электролизер работает по принципу, что при повышенных температурах [12] некоторые керамические оксиды, такие как стабилизированный иттрием диоксид циркония (YSZ) и легированный церий , становятся проводниками оксидных ионов (O 2– ) . Тонкий непористый диск из YSZ (твердого электролита) зажат между двумя пористыми электродами . СО 2диффундирует через пористый электрод ( катод ) и достигает окрестности границы электрод-электролит. Благодаря сочетанию термической диссоциации и электрокатализа атом кислорода высвобождается из CO. 2молекула и отбирает два электрона у катода, превращаясь в оксид-ион (O 2– ). Через вакансии ионов кислорода в кристаллической решетке электролита ион кислорода переносится к границе раздела электролит-анод за счет приложенного потенциала постоянного тока . На этой границе раздела ион кислорода передает свой заряд аноду , соединяется с другим атомом кислорода с образованием кислорода ( O 2) и диффундирует из анода. [1]
Таким образом, итоговая реакция составила 2 CO. 22 СО + О 2. Инертные газы , такие как газообразный азот ( N 2) и аргон (Ar) не отделяются от сырья, а возвращаются в атмосферу вместе с окисью углерода (CO) и неиспользованным CO. 2. [1]
Марсианский эксперимент
Первое испытание MOXIE по производству кислорода на Марсе 20 апреля 2021 г., график
Впервые производство кислорода было достигнуто 20 апреля 2021 года в кратере Джезеро , где было произведено 5,37 грамма (0,189 унции) кислорода, что эквивалентно тому, что астронавту на Марсе нужно было бы дышать в течение примерно 10 минут. [13] MOXIE был разработан для безопасной генерации до 10 г/ч (0,35 унции/ч) кислорода, [14] [4] с теоретическим ограничением производства до 12 граммов в час (0,42 унции/ч) кислорода из-за ограниченная мощность бортового блока питания 4 ампера . [1] Произведенный кислород был проанализирован, а затем выпущен обратно в атмосферу. [15]
MOXIE использовался для выделения кислорода еще девять раз в течение примерно двух земных лет или одного марсианского года в три этапа; На первом этапе будет проведено дальнейшее исследование производства кислорода, на втором — тестирование прибора в разное время суток, сезона и атмосферных условий, а на третьем — производство кислорода при разных температурах и изменение режима работы для исследования различий в производство. [4]
21 апреля 2021 года Джим Рейтер, заместитель администратора по STMD, объяснил, что эксперимент дал результаты, имеющие множество применений, заявив: «Это важный первый шаг в преобразовании углекислого газа в кислород на Марсе. MOXIE еще предстоит проделать большую работу». , но результаты этой демонстрации технологии полны надежд, поскольку мы приближаемся к нашей цели – когда-нибудь увидеть людей на Марсе. Кислород – это не просто то, чем мы дышим. Ракетное топливо зависит от кислорода, и будущие исследователи будут зависеть от производства топлива. на Марс, чтобы совершить путешествие домой». [13]
MOXIE произвел в общей сложности 122 г (4,3 унции) кислорода — примерно столько, сколько вдыхает маленькая собака за 10 часов. При максимальной эффективности MOXIE мог производить 12 граммов в час (0,42 унции/ч) кислорода – в два раза больше, чем первоначальные цели НАСА для этого прибора – с чистотой 98% или выше. Во время своего 16-го и последнего запуска 7 августа 2023 года прибор произвел 9,8 г (0,35 унции) кислорода. MOXIE успешно выполнил все свои технические требования и эксплуатировался в различных условиях в течение всего марсианского года, что позволило разработчикам инструмента узнать много нового об этой технологии. [16]
Подразумеваемое
НАСА заявляет, что, если бы MOXIE работал эффективно, они могли бы разместить на планете прибор на базе MOXIE примерно в 200 раз большего размера, а также электростанцию, способную генерировать 25–30 киловатт (34–40 л.с.). [1] В течение примерно одного земного года эта система будет производить кислород со скоростью не менее 2 килограммов в час (4,4 фунта/час) [1] для поддержки человеческой миссии где-то в 2030-х годах. [17] [18] Запасенный кислород можно было бы использовать для жизнеобеспечения, но основной потребностью является окислитель для корабля, поднимающегося на Марс. [19] [20] Например, предполагалось, что в миссии четырех астронавтов на поверхность Марса в течение года для жизнеобеспечения в течение всего года будет использоваться только около 1 метрической тонны кислорода по сравнению с примерно 25 метрическими тоннами кислорода. кислород для вывода с поверхности Марса для обратной миссии. [13] CO, побочный продукт реакции, может быть собран и использован в качестве низкосортного топлива [21] или подвергнут реакции с водой с образованием метана ( CH 4) для использования в качестве основного топлива. [22] [23] В качестве альтернативного варианта использования система генерации кислорода может заполнять небольшой кислородный бак в качестве топлива-окислителя для поддержки миссии по возврату проб . [24] Кислород также можно объединить с водородом с образованием воды. [4]
Технические характеристики
Данные НАСА (марсоход миссии Perseverance MARS 2020), [9] Cematec и OxEon Energy, [25] Лаборатория реактивного движения НАСА. [26]
Основная задача: производить кислород из углекислой атмосферы Марса.
Расположение: Внутри марсохода (спереди, справа)
Масса: 17,1 килограмма
Вес: 37,7 фунтов (168 Н) на Земле, 14,14 фунтов (62,9 Н) на Марсе.
Мощность: 300 Вт
Объем: 9,4 × 9,4 × 12,2 дюйма (24 см × 24 см × 31 см)
Скорость производства кислорода: до 10 граммов (0,022 фунта) в час.
Время работы: Примерно один час производства кислорода ( O 2 ) за эксперимент, который будет периодически планироваться в течение всей миссии. [9]
MOXIE: Оперативное проектирование (SOXE):
Поток газа: внутренний коллектор для определения чистоты O 2 и dP.
Корм: Сухой CO 2 в диапазоне 30–80 г/час.
Продукт: чистый O 2 99,6 % , внутренний коллектор.
Конструктивные особенности: устойчивость к запуску, устойчивость к ударам и вибрации EDL, требования к сжимающим нагрузкам.
Мощность: сильно ограничена
Масса: максимум 1 кг.
Объем: жестко ограничен
Эксплуатация: 20+ 120-минутных циклов.
Нарастание нагрева: 90 минут (около 515 °C/час) от температуры окружающей среды (потенциально -40 °C) до 800 °C.
Применение тепла: Нагреватели только на торцевых пластинах [25]
MOXIE: Драйверы дизайна материалов:
Соединения (IC): порошковая металлургия (CFY, Plansee)
Сплав с высоким содержанием хрома (КТР соответствует керамическому электролиту)
Примерно 100 × 50 × 2 мм (3,937 × 1,969 × 0,079 дюйма)
Содержит коллектор для газовых потоков [26]
MOXIE: Система подачи газа (спиральный компрессор):
Степень сжатия спирального насоса: примерно до 1 бар.
Число оборотов спирального насоса: Низкоскоростное (2000–4000 об/мин).
Производительность: Входной газ: 83 г/ч, P = 7 Торр , T = 20 °C, Pin = 120 Вт, Масса: c. 2 кг [26]
МОКСИ: Цели:
Эксплуатационные циклы: основные требования миссии предусматривают возможность выполнения в общей сложности 20 циклов: [27]
10 циклов предполетной подготовки
10+ циклов на Марсе
Квалификационные и проверочные испытания: они включают 60 полных рабочих циклов для подтверждения расширяемости, что в три раза превышает количество циклов, запланированных для основной миссии. [27]
Чистота кислорода: 99,6%+ в конце срока службы.
Температурные характеристики: Способны работать при температуре -65 °C.
Требования к сжатию, ударам и вибрации:
Выдерживать сжимающую силу 8 кН.
Устойчивость (PF) + 3 дБ для требований к ударам и вибрации во время полета [25]
^ Бойтель, Аллард (15 апреля 2015 г.). «НАСА объявляет о полезной нагрузке марсохода Mars 2020 для исследования Красной планеты» . НАСА . Архивировано из оригинала 19 февраля 2021 г. Проверено 25 февраля 2021 г.
^ «Устройство НАСА извлекает пригодный для дыхания кислород из разреженного марсианского воздуха» . Ирландские Таймс . Архивировано из оригинала 22 апреля 2021 г. Проверено 22 апреля 2021 г.
^ abcde Поттер, Шон (21 апреля 2021 г.). «Марсоход НАСА Perseverance извлекает первый кислород с Красной планеты». НАСА . Архивировано из оригинала 22 апреля 2021 г. Проверено 22 апреля 2021 г.
^ Каплан, Дэвид; Бэрд, Р.; Флинн, Ховард; Рэтлифф, Джеймс; Бараона, Космо; Дженкинс, Филипп; Лэндис, Джеффри; Шейман, Дэвид; Джонсон, Кеннет; Карлманн, Пол (2000). «Демонстрация полета прекурсора по производству топлива на Марсе (MIP) на Марсе в 2001 году - цели проекта и результаты квалификационных испытаний». Конференция и выставка «Космос 2000» . Американский институт аэронавтики и астронавтики. дои : 10.2514/6.2000-5145.
↑ Флавелл, Уорин (15 марта 2021 г.). «Производство кислорода на Марсе не подходит команде Джонсона». Особенности Космического центра имени Джонсона НАСА . Архивировано из оригинала 22 апреля 2021 года . Проверено 22 апреля 2021 г.
Ссылки www.history.nasa.gov . Архивировано из оригинала 14 июля 2019 г. Проверено 22 апреля 2021 г.
↑ Коломбано, Сильвано (23 сентября 2003 г.). «Робосфера: самоподдерживающаяся роботизированная экология как предшественник исследования планет человеком». Конференция и выставка AIAA Space 2003 . дои : 10.2514/6.2003-6278. ISBN978-1-62410-103-8. S2CID 17750706.
^ abc mars.nasa.gov. «Эксперимент по использованию ресурсов кислорода на Марсе (MOXIE)». mars.nasa.gov . Архивировано из оригинала 27 февраля 2021 г. Проверено 25 февраля 2021 г.
^ "NASA TechPort - Экспериментальный проект ISRU по производству кислорода на Марсе" . ТехПорт НАСА . Национальное управление по аэронавтике и исследованию космического пространства. Архивировано из оригинала 17 октября 2020 года . Проверено 19 ноября 2015 г.
↑ Брикс, Лиза (26 апреля 2015 г.). «Ученые пытаются получить кислород на Марсе». Наука Северных стран . Архивировано из оригинала 30 апреля 2015 г. Проверено 15 мая 2015 г.
^ abc Поттер, Шон (21 апреля 2021 г.). «Марсоход НАСА Perseverance извлекает первый кислород с Красной планеты». НАСА . Архивировано из оригинала 22 апреля 2021 г. Проверено 23 апреля 2021 г.
^ «На борту марсохода НАСА Perseverance MOXIE создает кислород на Марсе» . Новости Массачусетского технологического института | Массачусетский Институт Технологий . 21 апреля 2021 г. Архивировано из оригинала 21 апреля 2021 г. Проверено 22 апреля 2021 г.
↑ Коди, Сара (29 июля 2020 г.). «С упорством и небольшим количеством МОКСИ Массачусетский технологический институт отправляется на Марс». Новости МТИ . Массачусетский Институт Технологий . Проверено 20 мая 2021 г.
^ mars.nasa.gov. «Эксперимент НАСА по производству кислорода MOXIE завершает миссию на Марс». Исследование Марса НАСА . Проверено 7 сентября 2023 г.
^ Эксперимент ISRU с кислородом на Марсе (MOXIE). Архивировано 22 декабря 2016 г. в Wayback Machine PDF. Презентация: Миссия и инструменты «МАРС 2020». 6 ноября 2014 г.
↑ Макси, Кайл (5 августа 2014 г.). «Можно ли производить кислород на Марсе? МОКСИ узнает». Engineering.com . Архивировано из оригинала 6 ноября 2014 г. Проверено 5 ноября 2014 г.
↑ Томсон, Иэн (31 июля 2014 г.). «Марсоход 2020: получение кислорода и еще 6 удивительных экспериментов». Регистр . Архивировано из оригинала 6 ноября 2014 г. Проверено 5 ноября 2014 г.
^ Жизнь за счет земли на последнем рубеже. Архивировано 4 ноября 2014 года в Wayback Machine . НАСА, 4 ноября 2014 г.
^ Лэндис, Джеффри А.; Линн, Дайан Л. (сентябрь – октябрь 2001 г.). «Марсианская ракета, использующая топливо на месте». Журнал космических кораблей и ракет . 38 (5): 730–735. Бибкод : 2001JSpRo..38..730L. дои : 10.2514/2.3739.
↑ Уолл, Майк (1 августа 2014 г.). «Марсоход, генерирующий кислород, приблизит колонизацию». Space.com . Архивировано из оригинала 4 ноября 2014 г. Проверено 5 ноября 2014 г.
^ «Керамический генератор кислорода для систем электролиза углекислого газа | SBIR.gov» . www.sbir.gov . Архивировано из оригинала 6 ноября 2014 г. Проверено 6 ноября 2014 г.
^ Лэндис, Джеффри А.; Олесон, Стивен Р.; Паккард, Томас В.; Линн, Дайан Л.; Войтач, Джеффри М.; Мартини, Майкл С.; Фиттье, Джеймс Э.; Гекеньеси, Джон З.; Колоцца, Энтони Дж.; Финканнон, Джеймс; Бери, Кристен М.; Домингес, Гектор; Джонс, Роберт; Смит, Дэвид; Венто, Дэниел (9–13 января 2017 г.). Исследование конструкции поднимающегося на Марс корабля для возврата проб с использованием топлива, вырабатываемого на месте . 10-й симпозиум по использованию космических ресурсов. Грейпвайн, Техас. дои : 10.2514/6.2017-0424 .
^ abcd Дж. Хартвигсен, С. Элангован, Дж. Элвелл, Д. Ларсен, Л. Кларк, Э. Митчел, Б. MilletCeramatec, Inc/OxEonEnergy. Разработка и летная квалификация установки твердооксидного электролиза CO2 для проекта Mars2020 MOXIE
^ abcd Абобейкер, Асад (18 сентября 2017 г.). «МОКСИ: Производство кислорода на Марсе» (PDF) . Лаборатория реактивного движения НАСА . Калифорнийский технологический институт . Проверено 5 мая 2021 г.
^ Аб Хартвигсен, Джозеф; Элангован, С.; Фрост, Лиман (8 июля 2018 г.). Перспективы развития ISRU и возрождения атмосферы, ориентированные на развитие MOXIE (PDF) . 48-я Международная конференция по экологическим системам.
