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NASA的3D打印零件的MOXIE可在火星上制造氧气

三维-小维尼
2021-04-27 16:08:23

在2021年2月到达火星后,美国宇航局的恒心漫游者取得了多项突破性成就。4月初,Ingenuity直升机成为历史上第一架在另一个星球上进行受控飞行的飞机,两次在Jezero Crater上空盘旋。不久之后的4月21日,轮到MOXIE了。这款新颖的仪器带有3D打印部件,是“火星氧气现场资源利用实验”的缩写,首次将地球稀薄且富含二氧化碳的大气层转化为氧气。这种技术可以直接从科幻小说如《火星人》中获得,它可以利用现场发现的大量元素帮助未来的任务在地球以外的环境中生存。

MOXIE被安装在恒心中:NASA喷气推进实验室的技术人员将MOXIE放到恒心漫游者的腹部。图片由NASA / JPL-Caltech提供。

NASA最新的六轮机器人在火星表面遇到了一个敌对的栖息地。尽管像地球一样充满了云层和阵风,但大气层却缺乏坚固的臭氧层,因此表面会受到紫外线辐射的轰炸。此外,火星含有大量的二氧化碳(96%)和很少的氧气。含量不到1%,几乎与地球上的氧气相比只有21%。像MOXIE这样的制氧机可以在其他行星上蓬勃发展,演变成更大,更高效的平台,从而使宇航员能够创造自己的空气进行呼吸,并提供氧气来燃烧将人类送回地球所需的火箭燃料。

MOXIE是一款具有耐火材料的烤面包机大小的设备,具有持久性,可以承受大约1470华氏度(800摄氏度)的温度,这是转换过程成功的前提。它由3D打印的镍合金部件制成,该部件可加热和冷却流经其中的气体,并且轻巧的气凝胶有助于保持热量。MOXIE外部的薄金涂层反射红外热,防止其向外辐射,并可能损害恒心的其他部分。

NASA太空技术任务局(S****)的副署长Jim Reuter将这项成就描述为“在火星上将二氧化碳转化为氧气的关键的第一步”。尽管MOXIE仍有大量工作要做,但Reuter表示,这项技术演示的结果提供了很大的希望,特别是随着火星载人飞行计划的推进。

为了执行关键过程,MOXIE基本上从火星大气中吸收二氧化碳,然后电化学分解二氧化碳分子以产生纯氧,将其与一氧化碳分离,其过程等同于反向运行燃料电池。分析氧气的纯度,然后将其与一氧化碳和其他排气产品一起排放到火星大气中。

经过两个小时的现场预热后,MOXIE开始以每小时6克的速度生产氧气。在评估仪器状态的过程中减少了两次。运行一个小时后,产生的氧气总量约为5.4克,足以使宇航员保持正常活动近十分钟的健康状态。美国国家航空航天局表示,这种小型实验装置的设计目的是每小时产生多达10克的氧气,但氧气的产生“在其首次运行过程中相当适度”。

对于火箭或宇航员来说,氧气是关键,因此,通过将氧气原子与二氧化碳分子分离,MOXIE可确保产生氧气。火箭需要在没有氧气的太空中运转,这意味着他们不仅需要携带燃料,还需要携带自己的氧气。要燃烧燃料,火箭必须按重量增加氧气,如果要在未来的任务中让四名宇航员离开火星表面,将需要大约15,000磅(七公吨)的火箭燃料和55,000磅(25公吨)的氧气, MOXIE的主要研究人员说,麻省理工学院(MIT)的Haystack天文台的Michael Hecht说。

尽管如此,从地球向火星运送55,000磅的氧气仍然是一项艰巨的任务。如果未来的勘探者将依靠在火星上生产推进剂来回家,那么寻找一种可持续,低成本,高效的方法将当地资源转化为氧气将对任何任务的成功至关重要。在火星上生活和工作的宇航员也需要氧气才能呼吸,尽管远不及火箭起飞。赫希特(Hecht)估计,在地面上呆了一年的宇航员之间将使用一公吨的重量。相比之下,地球上的人类每年呼吸约740公斤氧气。

NASA宣称,尽管技术演示才刚刚开始,但MOXIE可以为“科幻小说成为科学事实”铺平道路。这项技术演示旨在确保该仪器能够幸免于从地球发射,经过近七个月的深空旅行以及通过恒心达到地面的情况。在火星的一年中,即地球上将近两年,MOXIE预计将至少再提取9次氧气。

制氧过程将分三个阶段进行。第一阶段将检出并表征仪器的功能。相比之下,第二阶段将在变化的大气条件下(例如一天中的不同时间和季节)运行该仪器。赫希特说,在第三阶段,“我们将挑战极限”,尝试新的运行模式或引入“新的皱纹”,例如在三个或更多不同温度下进行运行比较的运行。

S****的技术演示总监Trudy Kortes称其为利用地球外环境中的元素,称其为“生活在陆地上”,也称为现场资源利用,这是人类在太空探索中生存的答案。就像许多公司和研究机构一样,他们正在探索替代性建筑技术,以依靠当地的碎石给料来在其他星球上建造房屋结构。如果人类计划旅行,将二氧化碳之类的丰富物质转化为氧气是最具前瞻性的实验之一在接下来的几十年中,将进入月球,火星及其他地区。

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