NASA毅力号最神秘的设备（人类未来火星登陆的希望）

互推小编 2024-02-05

MOXIE也许是毅力号带上火星的最令人期待的设备。它可能无法飞行、钻孔或发射激光，但MOXIE是人类往返火星的方式

MOXIE在喷气推进实验室被安装到毅力号上。

我知道虽然毅力号给火星带来了一些浮华的东西。它有激光，它有一个大的机械臂，它有一个小的机械臂，它甚至发射了一架直升机。这一切都很厉害，但在“毅力”的内部还藏着另一个和汽车电池差不多大小的仪器，它甚至一点也不移动，实际上大部分时间都不工作。这是一个叫“火星氧气实验ISRU(原位资源利用)”(Mars Oxygen ISRU，简称MOXIE)的缩写，我想你们也相信这是火星上目前发生的最令人兴奋的事情。

MOXIE在火星上的工作是证明可以通过固体氧化物电解将火星大气中的二氧化碳分解为一氧化碳和氧气。一氧化碳被释放到大气中，而氧气被储存起来，可以以多种方式使用。MOXIE已经成功运行了几次，在4月20日的一个小时内产生了5.4克98%的纯氧。5.4克并不多，只够给宇航员提供大约10分钟的可呼吸空气，但它证明了这个系统是有效的。

在毅力号上有MOXIE有点奇怪 ; MOXIE会非常乐意保持完全静止，并且不会从Jezero陨石坑周围的拖运中得到任何好处。它最终登上了一个漫游者(利用毅力号的机动性可能会取代一个科学仪器)，这似乎是美国国家航空航天局(NASA)重心转移的结果，其历史可以追溯到20世纪70年代。阿波罗任务成功后，NASA的一些人(包括沃纳·冯·布劳恩，土星5号的总设计师)主张发展载人火星任务。美国国家航空航天局决定转而专注于近地轨道，开始了航天飞机的工作，随后是国际空间站的工作。没有那么多的资源留给他的计划。

然而，在20世纪90年代末，有一个小窗口，美国宇航局觉得航天飞机和国际空间站是稳定的项目，该机构愿意开始再次考虑火星探索。随着国际空间站的花费迅速增加，这个窗口关闭了，但是一个火星任务侥幸通过了，类似于《火星勘测者2001》。这次任务的独特之处在于它并不是关于火星科学，也不是像之前和之后的任务那样进行地质或化学研究。相反，“火星勘测者2001”计划在未来载人任务的背景下，在火星表面进行实验。它的有效载荷包括试验性太阳能电池、尘埃特性和减缓，也许最重要的是OGS（地质勘探局），或氧气发生器子系统，NASA的原位推进剂生产(ISPP)的尝试，现在更普遍地称为ISRU(原位资源利用)。

早在“火星勘测者2001”之前，美国宇航局就明白，让宇航员往返火星的关键在于质量。实际上，将任何东西送入太空都与质量有关。例如，SpaceX的猎鹰重型运载火箭可以将16,800公斤的重量送入火星转移轨道，但这需要超过140万公斤的运载火箭和燃料，这意味着有效载荷仅占火箭质量的1%多一点。这些个位数的有效载荷比例是向太空发射东西的标准，这就是为什么人们如此关注如何减少从地球这样的重力井中拉出的东西的数量。这也是为什么NASA想要在火星探测器上安装氧气发生器子系统的原因:如果我们能在火星表面制造我们自己的氧气，那么我们首先要向火星发送的东西就少得多了。这样更容易，更便宜，也更安全。

不幸的是，1998年，火星气候轨道飞行器和火星极地着陆器都失败了(后者是因为传感器错误导致引擎在离火星表面40米高的地方关闭，前者是因为涉及公制单位的尴尬沟通错误)，NASA取消了2001年的火星勘测任务，着陆器后来为2008年成功的凤凰号任务重新设计，使用了不同的、更科学的有效载荷，不包括ISPP。

在本世纪初，NASA的重点仍然是航天飞机和国际空间站，但是到了2010年中期，随着航天飞机的逐渐减少，国际空间站的大部分都在一起，NASA再次发现自己有了另一个小的预算窗口可以用于人类的火星探索。当该机构决定重新关注月球时，这扇窗户会再次关闭，但它打开的时间足够让(MOXIE)溜进来。麻省理工学院干草堆天文台MOXIE的首席研究员迈克尔·赫克特说:“火星社区认识到，(在火星探测器之后)我们没有做的最重要的一件事就是ISPP。”根据赫克特的说法，NASA有三个不同的主管部门，包括科学、空间技术和人类探索部门，让MOXIE登上了“毅力”火星漫游者:“他们聚在一起，这不是每天都能发生的，然后想出了这个计划，说让我们去完成这个计划，让它走出公园。”他们做到了MOXIE在火星上。

MOXIE是如何从co2中生成o2的

从根本上说，MOXIE是一种燃料电池。在地球上，我们使用燃料电池来产生能量，通过将氢气等气体与空气中的氧气结合，产生电力和水作为副产品。如果你反向运行同样的燃料电池(即所谓的再生模式)，你就会消耗电力将水分解成氢和氧。这就是MOXIE在火星上所做的:它从火星大气中吸收二氧化碳(其中96%是二氧化碳)，过滤，压缩，然后使用固体氧化物电解分离其中的一些氧并将它们储存起来，同时将剩余的一氧化碳返回到大气中。它需要大量的电力通过时间精力本身加热到工作温度(摄氏800度)和压缩火星大气和运行一个小时,勇气已经吸了大约1000瓦特时的能量,需要毅力号的放射性同位素热发生器生产能力约为10小时。因此，当MOXIE运行时，它会消耗当天探测器所有有效载荷的所有可用能量。作为交换，MOXIE产生的氧气相当于一棵小树，每小时6到10克，还不到一个人存活所需氧气的一半。

但维持人类的生命并不是勇气的真正意义所在。四名宇航员在火星表面生活一年的任务只需要大约一吨氧气来呼吸。然而，返回地球需要至少25吨氧气，以及7吨甲烷或其他火箭燃料。宇航员可能要带着甲烷或其他什么东西去火星，但如果他们能生产出所需的氧气，那么他们就不用担心这个巨大的质量了。

这就是为什么MOXIE如此重要:它将产生宇航员返回家园所需的大量资源。

我们要问的一个重要问题是，我们为什么要费力使用MOXIE——我们知道两极有水冰，而且我们可能也能在地表下找到它。虽然水很吸引人因为你可以把它分解成氧和氢，但它也比MOXIE做的要复杂得多。首先，你得找到冰。如果它在地下，那就有问题了，即使它不在地下，你也要用某种方法收割它，用机器人或类似的东西，而且几乎肯定会布满灰尘。这是完全可行的，但当你将所有的复杂性与在表面上放置一堆MOXIE并让它们留在那里相比，MOXIE似乎是一个更直接的解决方案。

迈克尔·赫克特(Michael Hecht)说，关于冰的另一个问题是，我们知道我们可以得到冰的地方，因为没有更好的词来形容，是枯燥的。“大多数火星科学家都是受地质因素驱动的。他们不想和那些结冰的地区有任何关系，因为一旦有了冰，就会有侵蚀，而如果你呆在低纬度地区，你看到的是45亿年的历史。”如果我们要去火星，我们也要让它有价值，对吧?

“在太空飞行中，我们必须带上所有我们需要的东西。如果我们能利用在目的地找到的资源，那将使我们的探索工作更有效率。MOXIE实际上是ISRU在另一个星球上的第一个实验。”---杰夫·希伊(jeff Sheehy)， NASA空间技术任务理事会总工程师

生产人类离开火星表面所需的25吨氧气并不是MOXIE自身所能做到的，但其基本技术是可扩展的。从本质上说，你只需要将相当于200个moxy发送到火星，以一个小冰箱大小，重约1000公斤的形式。它能够产生每小时3公斤氧气,但你把它在任何宇航员之前,这个想法是,勇气可以发出轧轧声在一到两年,缓慢但稳步收集火星大气中的氧气,这样的时候NASA准备发送载人任务,氧气已经被处理好了，在地表等待着它们。

正如您所料，将MOXIE的规模扩大比将200个MOXIE钉在一起要复杂一些。例如，MOXIE必须非常小心地分解二氧化碳，否则反应会产生不稳定的碳原子，将所有东西以烟尘的形式粘在一起。MOXIE的每个部件也需要按比例放大，包括压缩机、控制系统、储氧系统和过滤系统。最后一个是特别值得关注的，但结果表明，由于良好的尘埃颗粒大小和非常低的大气压力，过滤器在火星上比在地球上工作得更好。赫克特说:“当我想到我们所学到的东西时，这对我来说可能是最有价值的一课。”

除了让MOXIE变得更大，它还必须可靠地运行，因为如果它不做它需要做的事情，那么就不会有人类前往火星的任务。赫克特解释说，当你需要在火星上生活数年而没有维护时，单靠可靠性是不够的。“如果你把一个系统送到火星，运行一年，为人类任务创造氧气，它不会失败。它不能失败。所以你需要一些冗余。”冗余意味着几个(可能是4到5个)独立的类似moxie的系统，每个系统每小时可以产生大约1公斤的氧气，持续大约1万小时。

这些小型moxie系统的基本部件已经完成，有一家由美国宇航局资助的名为OxEon Energy的公司正在开发燃料电池技术的商业版本。似乎我们有技术要做到这一点,这只是一个问题的时候,又有多少不同的勇气在火星上的成功将意味着潜在的人类探索勇气向前迈出了一大步,或者火星保持15年了,15年前一样吗?

Michael Hecht对此持乐观态度:

我认为这是因为投资的规模不同。当NASA投入如此多的资金和资源，并在一个高调的旗舰任务中占据宝贵的空间，我认为他们是认真的。虽然优先权改变了，政府也改变了，这次三个不同的国家登上火星的事实告诉你，这不再是NASA自己的行动。当然还有SpaceX公司的埃隆·马斯克。这正在成为一个基础广泛的企业，有人会去做。因此，我们有充分的理由感到乐观:我们正在以一种前所未有的方式迈出第一步。

考虑到这一点，我们询问了NASA空间技术任务理事会的首席工程师杰夫·希伊，让他描述一下基于moxie的氧气生成系统在火星上的样子:

人们通常设想的是，你将着陆几吨基于moxie的氧气生产能力-一个小型氧气生产工厂与集成的氧气储存设施。氧气生产能力将在宇航员到达那里前几年建立起来。你要着陆一个裂变发电厂，然后用某种机器人漫游者把电力系统和氧气厂连接起来。最终你会有一个火星上升的飞行器，和一些从氧气储存系统到飞行器的氧化剂罐的管道。

该计划是在月球上测试其中一些组件。显然，不是勇气，而是一个裂变发电厂和机器人，你需要这些来安装和接入一切。希伊说:“我们正在建立在月球上的持久存在，通过建立所有的能力和设计它的方式，它可以在火星上使用。”“因此，月球真的会成为一块垫脚石，在那里我们将展示我们在火星上提供首次人类探险所需的技术和能力。”

至于MOXIE，他们的计划是在“坚持”任务中运行它多达10次，描述系统如何对不同的输入作出反应。现在唯一需要证明的是，它可以长期生存，给我们信心，我们可以把这项技术送到火星，并依靠它把我们带回家。

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