Astronauter på rymdstation kan verka avlägset, men de är bara 248 miles från jorden: lite mer än bilresan från New York City till Washington DC. Allt de behöver kan levereras på relativt kort tid. Astronauter som besöker Mars kommer inte att ha så lätt tillgång. Den röda planetens genomsnittliga avstånd från jorden är 140 miljoner miles.
Vi kan planera leveransuppdrag, men tar allt Det skulle vara dyrt och opraktiskt att åka med. Som Mark Watney i Smakämnen marsian, upptäcktsresande måste leva av landet också.
Det har funnits många förslag på hur astronauter kan producera det väsentliga, men tills nyligen hade ingen teknik testats på fältet. Nu, tack vare en maskin som heter MOXY, stuvad undan på NASA:s Perseverance-rover, kan vi definitivt säga att människor kommer att kunna göra syre på Mars.
I en tidning publicerad denna vecka i Vetenskap Förskott, sa utredarna att sju timmarslånga experimentkörningar under 2021 visar att MOXIE på ett tillförlitligt sätt kan omvandla koldioxid till ett litet träds syrevärde. I tester som spänner över olika temperaturer och tryck, dag och natt, på vintern och sommaren, andades den pigga maskinen stadigt in i Mars atmosfär och andades ut minst sex gram syre i timmen.
MOXIE utövar sin magi genom att suga in luft, filtrera bort damm och komprimera och värma upp gaserna till 800 grader Celsius. Den uppvärmda luften strömmar genom ett elektrolysinstrument med fast oxid som spjälkar koldioxid - vilket utgör 96 procent av Mars atmosfär—till syre och kolmonoxid. Maskinen separerar sedan ut syret och driver ut kolmonoxiden, tillsammans med andra gaser, som avgaser.
"Detta är den första demonstrationen av att faktiskt använda resurser på ytan av en annan planetarisk kropp och omvandla dem kemiskt till något som skulle vara användbart för ett mänskligt uppdrag", säger MOXIEs biträdande huvudutredare Jeffrey Hoffman, professor i praktiken vid MIT:s avdelning av Aeronautics and Astronautics, i en frisättning.
En Mars "skog"
Demonstrationen är bara början. En framtida version, ungefär lika stor som en "liten frysbox", skulle producera syre i en hastighet som motsvarar flera hundra träd. Maskinen tillverkar cirka tre kilo syre i timmen under 26 månader och kan mata en lagringstank för att hålla astronauterna andas och ge bränsle till deras resa hem.
För att nå dit måste maskinen visa sig kunna fungera nonstop i den tuffa marsmiljön – och den skulle behöva mycket mer kraft.
"Kraft är det område där vi förväntar oss att se den största förbättringen av den uppskalade MOXIE," Dr Michael Hecht, biträdande direktör vid MIT:s Haystack Observatory och huvudutredare på MOXIE, berättade Singularity Hub.
"På Perseverance använder vi upp till 300 watt för att producera cirka 8 gram per timme av syre, vilket inte representerar mycket mer än 10 procent effektivitet i förhållande till mängden elektrokemisk kraft som faktiskt krävs för att dra isär CO2-molekylen. Vi förväntar oss att det fullskaliga systemet är mer som 90 procent effektivt, baserat på detaljerade studier.”
Några av dessa vinster kommer att bero på att en större maskin kan köras vid lägre tryck, vilket sparar energi på kompression, sa Dr. Hecht. Men mest kommer det att vara tack vare skalfördelar – du kan till exempel producera gram eller kilogram med samma elektronik.
Det kommer naturligtvis fortfarande att kräva en pålitlig strömkälla. Enligt Dr Hecht borde en kärnreaktor med en förmåga på cirka 10 kilowatt (som för närvarande utvecklas av NASA) göra susen.
Fördelen med att driva kärnkraft är tillförlitlighet och livslängd. NASA:s Opportunity Rover, driven av solpaneler, mötte sin undergång när en global dammstorm blockerade solen. Perseverances kärnkraftskälla är å andra sidan fristående och bedömd att hålla i 14 år.
På tal om dammstormar, för en maskin som lever av att suga in luft, globala stormar som varar i veckor eller månader skulle tyckas oerhörda fiender. Sannerligen, sa Dr. Hecht, eftersom du förväntar dig att luftfilter hemma täpper igen, kommer samma sak att hända på Mars.
”Vi har studerat dammfiltrering mycket, och det verkar vara ett av de fall där naturen är snäll mot oss. Stormarna i sig är inte ett lika stort problem som det konstanta dammintaget, säger han. "Men lyckligtvis följer dammet inte luftflödet lika lätt vid de låga trycken, så nästan allt kan elimineras med enkla bafflar som tvingar luften att gå runt hörnen när den dras in i systemet."
Även om några stora frågor har besvarats, planerar teamet att fortsätta testa MOXIE. De kommer att köra den i skymning och gryning, när temperaturerna på mars svänger mer vilt, pressa den för att producera mer syre och noggrant övervaka slitage. Under tiden, tillbaka på jorden, har Oxeon, företaget som tillverkade elektrolysenheten, redan byggt och testat ett system som är 100 gånger större.
Nästa stopp Mars?
Hur snart vi behöver en färdig produkt är inte säkert. NASA planerar att lansera Artemis I i år, en språngbräda till månen och så småningom, hoppas man, Mars. Samtidigt tittar Kina på den röda planeten, och SpaceX skyndar sig för att färdigställa sin Mars-raket. Måldatum för landning sträcker sig från slutet av detta decennium till någon gång på 2030-talet.
Mellan nu och då kommer vi att behöva lösa många betydande utmaningar. Men att ta reda på hur man producerar luft till andning och bränsle för en resa hem är en stor ruta att kontrollera. "Det är vad upptäcktsresande har gjort sedan urminnes tider," Hoffman berättade Smakämnen Washington Post. "Ta reda på vilka resurser som finns tillgängliga där du ska och ta reda på hur du använder dem."
Image Credit: NASA
