Прибор размером с дипломат уже производит кислород на Марсе

Марсианская атмосфера в ее нынешнем состоянии совсем не подходит для землян. Она очень тонкая, более чем в 100 раз менее плотная, чем земная, и состоит в основном из углекислого газа. Любой человек, пытающийся дышать им, вскоре обнаружит, что не дышит вообще.

Но в этом пыльном, сухом, чужом мире небольшой прибор, размером чуть больше портфеля, надежно выкачивает из марсианской атмосферы кислород, пригодный для дыхания.

Это первая демонстрация переработки ресурсов in situ для использования человеком на другой планете - создание способа получения пригодного для дыхания воздуха для миссии человека на красную планету.

Установка называется MOXIE (Mars Oxygen In-Situ Resource Utilization (ISRU) Experiment) и, установленная в брюхе марсохода НАСА Perseverance, использует процесс, называемый электролизом, для разделения марсианского углекислого газа на монооксид углерода и кислород.

С февраля 2021 года, когда Perseverance совершил посадку, до конца 2021 года MOXIE семь раз производил кислород - и будет продолжать это делать, говорят исследователи.

"Это первая демонстрация фактического использования ресурсов на поверхности другого планетарного тела и их химического преобразования в нечто полезное для человека", - говорит бывший астронавт НАСА и заместитель главного исследователя MOXIE Джеффри Хоффман из Массачусетского технологического института.

"В этом смысле это историческое событие".

Производство кислорода путем электролиза не является чем-то новым. Международная космическая станция, например, использует электролиз для расщепления воды на водород и кислород и, таким образом, пополняет запасы пригодного для дыхания воздуха.

Однако на Марсе вода может оказаться слишком ценной для использования таким способом, если есть другой метод.

К счастью, кислород является компонентом многих соединений, включая углекислый газ, который составляет примерно 96 процентов атмосферы на Марсе: молекула состоит из одного атома углерода и двух атомов кислорода.

Электрохимическое восстановление углекислого газа до его составных элементов хорошо изучено, известно и понятно; задача состояла в том, чтобы здесь, на Земле, разработать прибор, который смог бы сделать это на Марсе с имеющимися под рукой ингредиентами.

Производство кислорода в MOXIE - это многоступенчатый процесс.

Сначала он втягивает марсианский воздух через фильтр, который очищает его. Затем этот очищенный марсианский воздух сжимается, нагревается и направляется в электролизер твердого оксида (SOXE). Электролизер расщепляет углекислый газ на монооксид углерода, который выбрасывается обратно в марсианскую атмосферу, и ионы кислорода.

Ионы кислорода затем рекомбинируются в O2, или молекулярный кислород, который затем измеряется по количеству и чистоте перед тем, как снова выпустить в атмосферу.

Этот процесс, как установили ученые, надежно привел к производству кислорода, пригодного для дыхания. После нескольких часов разогрева прибор работает в течение 1 часа на эксперимент, после чего выключается. За 1 час работы MOXIE может произвести до 10 граммов - около 20 минут кислорода, пригодного для дыхания одного астронавта.

В каждом из семи запусков MOXIE произвел от 5,4 до 8,9 грамма молекулярного кислорода, в общей сложности 49,9 грамма.

Поскольку температура и плотность воздуха на Марсе сильно варьируются, причем не только от дня к ночи, но и в течение всего года, MOXIE должен быть способен работать в широком диапазоне температур и плотности воздуха.

В ходе семи запусков MOXIE смог производить кислород в различных условиях: днем, ночью и в течение всего года.

"Единственное, что мы не продемонстрировали, - это работа на рассвете или в сумерках, когда температура существенно меняется", - говорит главный исследователь MOXIE Майкл Хехт из обсерватории Haystack Массачусетского технологического института.

"У нас есть туз в рукаве, который позволит нам это сделать, и как только мы испытаем это в лаборатории, мы сможем достичь последней вехи, чтобы показать, что мы действительно можем работать в любое время".

В идеале, конечно, целью является система жизнеобеспечения, которая может работать непрерывно, поскольку именно так людям нужно дышать. И она должна быть намного больше, чем MOXIE: небольшой команде астронавтов, сказал Хехт в прошлом году, потребуется около одной метрической тонны кислорода для дыхания в течение одного года на Марсе.

И это не считая кислорода, необходимого для топлива на пути домой - в целом, по расчетам команды, для миссии потребуется около 500 тонн кислорода.

То, что команда узнала за первый год работы MOXIE, послужит основой для разработки более крупной системы... но до этого еще далеко.

Следующий эксперимент будет проводиться в то время года, когда атмосфера наиболее плотная. Тогда, по словам команды, они будут давить на прибор изо всех сил, стараясь произвести как можно больше кислорода.

Это не только покажет, на что способен MOXIE, но и продемонстрирует его ограничения, что, в свою очередь, поможет создать более надежный аппарат для возможного полета на Марс с экипажем.

А это позволит решить значительную часть головоломки, связанной не только с тем, чтобы сделать обитаемое место более гостеприимным для людей, но и обеспечить их безопасное возвращение домой.

"Чтобы поддержать полет человека на Марс, мы должны привезти с Земли много всего, например, компьютеры, скафандры и среду обитания", - говорит Хоффман.

"Но старый добрый кислород? Если вы можете его туда доставить, действуйте - вы намного опережаете события".

Исследование было опубликовано в журнале Science Advances.