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就地取材!美国“毅力号”火星车发射升空 科学家首次在火星上进行氧气制造实验

美国东部时间30日上午7时50分(北京时间19时50分),搭载“毅力号”火星探测器的Atlas-V火箭从美国佛罗里达卡纳维拉尔角空军基地成功发射升空,美国也成为继阿联酋和中国之后,今年第三个将火星探测器发射升空的国家。此次“毅力号”火星探测器,目标是寻找可能在火星上存在的生命迹象,探索火星的气候和地质特征等,展开科学实验。

抵达火星后,它将首次在火星上进行氧气制造实验。由麻省理工学院(MIT)研究人员领导的下一个火星任务中的一个实验,旨在从火星空气中产生氧气。

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火星目前的状态是不适宜居住的:地表布满灰尘,唯一可用的水是在两极附近冻结的,在地下深处,或者与土壤紧密结合,必须在烤箱中烘烤才能提取出来。这里的空气让人无法呼吸,稀薄的大气在保持零下81℉的平均温度的同时,还会带来令人担忧的辐射。然而,在过去的某个时候,它可能看起来更像地球,可能更适合生命生存。

此次,MIT领导的科学家们将细致探索过去火星环境的宜居性问题,描绘环境特征,并帮助为未来的人类探索铺平道路。他们希望能将火星空气转化提取出氧气,给火箭推进提供“原料”,让到达那里的宇航员可以呼吸到赖以生存的气体。

MOXIE试验设备(Mars OXygen In situ resource utilization Experiment),是由麻省理工MIT Haystack Observatory天文台和麻省理工学院航空航天系(AeroAstro)的研究人员,以及美国宇航局喷气推进实验室(JPL)的工程师共同提出和开发的。该设备将采用电化学方法,分解大气中的CO2。

“毅力号”会带来一套精密的系统,用来挑选、取心、贮藏和保存岩石和土壤样本,以备将来某一天带回地球。来自麻省理工学院地球、大气和行星科学系(EAPS)的地球生物学教授坦尼亚·博萨克(Tanja Bosak)和行星科学教授本·韦斯(Ben Weiss)将参与该系统的科学家们的工作,以帮助选择从火星表面收集和分析哪些样本。

MOXIE代表了实现就地资源利用(ISRU)的重要第一步。

“不仅人类需要氧气呼吸,火箭也需要氧气呼吸。如果你在燃烧燃料,你需要氧气来补充,”Michael Hecht说,他是MOXIE的首席研究员和麻省理工学院MIT Haystack Observatory的研究主任。“氧气罐之所以是航天舱单上最重的物品,绝对是有原因的。”

发射需要大量燃料:推动航天器脱离地球的引力需要大量能量,而返回地球这个过程则需要从头再来一遍。更重要的是,在一个精心校准的宇宙飞船中,用于运输特定任务所需氧气的重型容器占据了宝贵的空间。

“与其带上它,为什么不等到我们需要它的时候再去制造呢?”Michael Hecht说。“火星上存在氧气,只是不是我们可以利用的那种形式。所以这就是我们试图用MOXIE解决的问题。”

氧的一个潜在来源是存在于火星表面下的冰。但是开采这片冰需要复杂的机械设备,而且挖掘和钻探的物理行为会对设备造成严重的磨损,这在维修人员远在另一个星球的情况下是一个问题。值得庆幸的是,还有另一种潜在的资源——大气层,该团队可以利用它来产生氧气。

Michael Hecht说:“使用采矿的方法,你必须开采冰,提炼和处理它,释放氧气,再把它带回来,这是我们无法通过机器人完成的,尤其是在我们的空间有限的情况下。”我想找到一种更简单的方法。火星大气中大约96%是二氧化碳,所以我们建造了一棵小型机械树,因为这比建造一个小型、自给自足的采矿公司容易得多。

MOXIE的目标是:收集火星空气中丰富的二氧化碳,将其转化为氧气,并测量氧气的纯度。吸入火星空气后,该系统过滤、压缩粉尘,然后将其送入固态氧化物电解槽(SOXE)。固态氧化物电解槽是吸收加压二氧化碳并利用电和化学的结合将分子分解为氧气和一氧化碳的关键元件。氧气的纯度被分析,然后氧气被释放回火星大气中。

目前的计划是在整个任务期间在尽可能多的不同季节和环境条件下至少进行10次产氧作业。由于强烈的能量运行勇气所需的实验中,研究小组将协调与其他研究人员,他们将不得不关闭期间精力几小时的运行时间,然后等待大部分火星的一天(称为溶胶)毅力的电池充电。这些数据将被送回麻省理工学院的一个实验室,在那里对MOXIE的性能进行分析。

组建“高能”团队

2013年,美国宇航局呼吁在特定参数范围内为2020年漫游者进行产氧实验。尽管Michael Hecht在喷气推进实验室工作了30年,致力于凤凰号火星着陆器任务,但当他在2012年搬到麻省理工学院Haystack Observatory时,他并没有期望再成为一个“火星人”——他认为他永远不会再和火星打交道了。但出乎他们意料之外,在2014年7月,他和他在JPL的同事得到消息,他们拿下了这个项目。

麻省理工学院航空航天专业的教授杰夫·霍夫曼(Jeff Hoffman)有五次太空飞行中的四次太空行走记录,其中包括1993年对哈勃太空望远镜进行的第一次救援/修复任务。他于2001年回到麻省理工学院任教,除了担任MOXIE的副首席研究员之外,他还在麻省理工学院指导人类系统实验室。

MOXIE团队的最新成员是航空航天硕士的学生贾斯汀·舒尔茨(Justine Schultz),她于2020年春末加入团队。舒尔茨同时在通用电气公司全职工作,她的研究工作将集中在构建一个详细的MOXIE热模型。

翻译/前瞻经济学人APP资讯组

参考来源:https://scitechdaily.com/mit-is-going-to-mars-to-make-oxygen-from-martian-air-with-perseverance-and-a-little-moxie/

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