目前狀態下的火星大氣,對地球人來說,一點都不友善。它非常稀薄,比起地球的大氣稀薄了超過 100 倍,且組成大部分是二氧化碳。任何人嘗試吸入火星大氣,很快會發現他們根本沒吸入任何東西。

MOXIE 氧氣製造機

但是在那個塵土飛揚、乾燥的外星世界,一台只有比公事包大一點的儀器,已經從火星大氣當中,可靠地送出可呼吸的氧氣中。

這是第一次,在另一個星球上,展示出替人類活動產生在地資源的過程,這建立起一套方法,能夠在人類到火星執行任務時,製造可供呼吸的空氣。

這個儀器裝置稱作「火星氧氣在地資源運用實驗」(Mars Oxygen In-Situ Resource Utilization (ISRU) Experiment,MOXIE),被安裝在美國太空總署(NASA)的毅力號火星探測器(Perseverance rover)腹部。它使用電解製程,來將火星的二氧化碳轉成一氧化碳與氧氣。

研究人員說 ,從毅力號登陸的 2021 年 2 月到 2021 年底間,MOXIE 產生了七次氧氣,而且還會持續製造下去。

麻省理工學院(MIT)、前 NASA 太空人暨 MOXIE 副首席研究員的傑弗利·霍夫曼教授(Jeffrey Hoffman)說:「這是第一次展示說,真的使用另一個天體表面上的資源,並透過化學方法,將它們轉成對人類任務有用的東西。這是歷史性的一刻。」

產氧方法與步驟

由電解來產生氧的方法並不是新奇的事。比方說,國際太空站(International Space Station,ISS)就用電解將水轉成氫氣與氧氣,因此能夠補充供給可呼吸的空氣。然而,在火星上,水可能太過珍貴來這樣使用。因此,若是有其他可用的方法會更好。

幸運地是,氧氣是許多化合物的成分,包括了組成火星大氣中約 96% 的二氧化碳,就是包含一個碳原子與兩個氧原子的化合物。

關於將二氧化碳由電化學來還原成組成元素的方法已經被透徹研究、熟知與理解。再次的挑戰是,要在地球上研發出一台儀器,能夠在火星上,用可取得的成分來做到這件事。

MOXIE 產生氧氣的過程是多步驟的。

首先,MOXIE 會透過一個把火星空氣清洗乾淨的過濾器來抽取火星空氣。這個淨化過後的火星空氣接著被壓縮、加熱、並送到固體氧化物電解器(Solid OXide Electrolyzer,SOXE)。電解器會將二氧化碳拆分成一氧化碳與氧離子,其中的一氧化碳會被排放回火星大氣中。

氧離子接著會重新結合而形成氧氣、或分子氧,並且在再度排放回大氣前,量測數量以及純度。

運轉過程與結果

科學家們認定,這個過程已經可靠地生產出可呼吸的氧氣。在暖機數個小時之後,每次實驗會運行 1 個小時,然後斷電一段時間。在這個 1 小時的運作時間之中,MOXIE 被設計來產生多到 10 克的氧氣,能夠提供一名太空人 20 分鐘的可呼吸用空氣。

在七次製程中的每一次,MOXIE 製造介於 5.4-8.9 克的氧分子,總計製造 49.9 克的氧分子。

由於火星在溫度與空氣密度的變異上,不僅從早到晚、連在一年四季的變化中都很大,因此 MOXIE 需要能夠在寬廣的溫度與空氣密度之下運作。

在七次的運行中,MOXIE 能夠在各種情況之下產生氧氣:在白天、在晚上、以及一整年間。

MIT 海斯塔克天文台(6Haystack Observatory)、MOXIE 首席研究員麥可·海契特(Michael Hecht)說:「我們唯一還沒有展示的時間是在黎明或黃昏,就是溫度正大幅變化的時候。我們的確暗中藏有一張王牌,能夠讓我們做到,而一旦我們在實驗室進行了測試,我們就可以到達最後的里程碑,展示我們可以在任何時間進行製程。」

未來目標

當然,理想上來說,目標是要產生一台可以持續運行的輔助生命系統,因為那就是人類需要呼吸的方式。而且,它也會需要比 MOXIE 還要大台。海契特說去年,一個小型太空人團隊,若在火星上進行一年任務,那會需要約一噸的可呼吸氧氣。

且這還不包括用來返家的推進劑所需要的氧氣。研究團隊計算說,任務總共會需要大約 500 噸的氧氣。

研究團隊在 MOXIE 運作第一年中所學到的東西,會讓他們知道發展這個較大系統所須知識,但是還有很長的路要走。

接下來的實驗會在一年當中,火星大氣最厚實的時候進行。接著,研究團隊說,他們會盡可能地努力推動儀器運作,試著讓它盡可能產生更多氧氣。

這不僅會展示說 MOXIE 能夠做些什麼,也能夠展示其極限,這後續能夠替最終的火星組員任務,協助打造更強大的機器。而這最後會解決一道謎題的關鍵部分,就是不僅要讓一個不適合居住的地方更適合人類,還要確保他們能夠平安回家。

霍夫曼教授說:「為了要協助人類的火星任務,我們必須要從地球上帶很多東西過去,像是電腦、太空裝、以及棲息地。但是氧氣呢?如果能夠在那裡製造,那就做吧!我們會遙遙領先。」

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參考資料:

  1. Starr, M., (2022, September 1). A Briefcase-Sized Box Is Already Making Oxygen on Mars. ScienceAlert
  2. Hoffman, J. A. et al., (2022, August 31). Mars Oxygen ISRU Experiment (MOXIE)—Preparing for human Mars exploration. Science Advances. DOI: 10.1126/sciadv.abp8636
  3. 圖片來源:https://www.sciencealert.com/a-briefcase-sized-box-is-already-making-oxygen-on-mars(圖:NASA/JPL-Caltech)
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