科企岛：MOXIE 将火星空气变成纯氧

氧气是火箭推进的重要组成部分，在这颗红色星球上很难获得。但火星上一台原型机的结果表明，这种元素可以从空气中抽出——暗示未来的产品可以为火箭发射提供动力，但还不足以让人类直接呼吸火星的空气。

NASA 艾姆斯研究中心的行星科学家卡罗尔斯托克（Carol Stoker）没有参与该项目，他使用科学术语“ “现场。”

现在，一个午餐盒大小的装置搭载在毅力号火星车上，为利用火星上的资源生产推进剂打开了大门。火星氧气就地资源利用实验（MOXIE）已成功在这颗红色星球上产生氧气。

根据周三发表在《科学进展》杂志上的一份报告，从毅力号于 2021 年 2 月登陆到当年年底，MOXIE 在七次运行中产生了约 50 克氧气。MOXIE 副首席研究员、麻省理工学院航空航天学教授 Jeffrey Hoffman表示，MOXIE 将继续在各种条件下进行实验，直至 2022 年。

MOXIE 仪器

该设备每小时可生产 6 至 10 克，具体取决于大气条件。霍夫曼说，它在 8 月底设定了最高产量，当时火星大气最稠密。

霍夫曼说，MOXIE 的目的是“验证这个过程在火星上确实有效。而且，我想说，我们正在努力做到这一点。”

MOXIE 利用构成火星大气层的分子来制造氧气。但这不是简单的提取。火星大气中含有 95% 的二氧化碳（地球的大气主要是氮气和大部分氧气）。MOXIE 必须将 CO2 分子分解为一氧化碳和氧气。

首先，MOXIE 通过 HEPA 过滤器吸入空气，从而防止火星尘埃进入该过程。然后火星空气通过压缩机，因为正如霍夫曼解释的那样，它的密度不足以产生氧气。该装置压缩火星空气，显着增加其密度：从比地球大气层薄 100 倍到大约一半薄。

然后，将二氧化碳加热到大约 1,500 F (800 C)。一旦加热，就到了主要活动的时间：通过电解装置运行，该装置使用电力来驱动化学反应。在那里，二氧化碳遇到催化剂，如镍，导致二氧化碳分子分解成一氧化碳 (CO) 和氧离子。然后用电将氧离子通过过滤器拉入另一个室，在那里它们结合成氧分子。结果是可用于呼吸或火箭的纯氧。

“MOXIE 的好处在于，从氧气的角度来看，你所需要的只是大气，”霍夫曼说。“所以不管你在哪里，你可以去任何你想去的地方，而且你有气氛。”

MOXIE 在火星的整个夜晚、白天和多个季节——甚至在冬天——都产生了氧气。在火星两极最冷的月份，由于二氧化碳以冰的形式沉积在极地表面，大气密度降低。科罗拉多大学博尔德分校大气与空间物理实验室的研究科学家玛格丽特兰迪斯解释说，这意味着 MOXIE 每六个月可用的二氧化碳就会减少。尽管如此，在大气变薄的那段时间里，它每小时生产约 6 克。

“MOXIE 可以在火星上随时运行，”霍夫曼说。“如果我们能多跑几趟，我们会在黎明和黄昏的条件迅速变化时尝试运行它，我们可以证明 MOXIE 可以适应这些变化的条件。”

然而，每小时 6 到 10 克的速度不会产生足够的氧气来用于人类火星任务。霍夫曼说，人类平均每天呼吸的氧气不到 1 公斤，而火箭对氧气的需求甚至更大。将人从火星表面发射出去的火箭需要数十甚至数百吨的氧气。但是氧气会随着时间的推移而积累。霍夫曼说，一个完整版本的 MOXIE 类系统需要每小时产生 2 到 3 公斤的氧气，才有机会积累足够的液氧用于火箭发射系统。

他说，工程师们已经有了这种更大设备的原型。因为 MOXIE 必须在 Perseverance 漫游车上搭便车，所以它一直很小，但未来的任务可能会自行向火星发送一个更大的类似 MOXIE 的装置。霍夫曼说，这样的设备可能还具有更多功能，例如能够将一氧化碳产品也制成有用的东西。

产生氧气的能力并不意味着火星发射火箭已经准备就绪。美国宇航局的斯托克说，氧气只是火箭发射方程式的一部分。它提供了燃烧反应的一半——氧化剂——但火箭仍然需要其他成分作为燃料。但是，她补充说，氧气可以提供超过四分之三的推进火箭所需的质量，这大大减少了必须从地球运送到红色星球的物质数量。

兰迪斯说，随着类似 MOXIE 的技术规模扩大，值得考虑这一过程可能对火星产生的环境影响。“这是值得考虑的事情，因为二氧化碳是火星大气的主要成分，并且在其季节性周期中起着非常重要的作用，”她说。“如果你开始改变地表和大气二氧化碳之间的这种平衡”和气体类型，将会发生什么的确切含义，还有很多需要了解。