Войти
 Эксперимент по использованию ресурсов кислорода на Марсе (MOXIE) | |
| Оператор | НАСА |
|---|---|
| Производитель | НАСА / Лаборатория реактивного движения Калифорнийского технологического института |
| Тип инструмента | Экспериментальная технология ISRU (использование ресурсов на месте) |
| Функция | Производство кислорода |
| Веб-сайт | марс.nasa.gov / марс2020 / миссия / инструменты / moxie / |
| Характеристики | |
| Масса | 15 кг (33 фунта) |
| Габаритные размеры | 24 × 24 × 31 см |
| Потребляемая мощность | 300 Вт |
| Хост космический корабль | |
| Космический корабль | Упорство |
| Дата запуска | 30 июля 2020 г. |
| Ракета | Атлас V 541 |
| Запустить сайт | Мыс Канаверал SLC-41 |
Mars Oxygen in-situ использования ресурсов Эксперимент ( Moxie) является демонстрация технологии на NASA Mars 2020 ровера Настойчивость, расследующей производство кислорода на Марсе. 20 апреля 2021 года MOXIE произвела кислород из углекислого газа в марсианской атмосфере с помощью электролиза твердых оксидов. Это была первая экспериментальная добыча природного ресурса с другой планеты для использования человеком. Технология может быть расширена для использования в миссии человека на планете по обеспечению пригодным для дыхания кислородом, окислителем и топливом ; вода также может быть получена путем объединения полученного кислорода с водородом.
Эксперимент проводился в сотрудничестве с Массачусетским технологическим институтом, обсерваторией Хейстэк, Лабораторией реактивного движения НАСА / Калифорнийского технологического института и другими учреждениями.
Целью MOXIE является производство кислорода чистотой не менее 98% со скоростью 6–10 граммов в час (0,21–0,35 унции / час) и делать это не менее десяти раз, чтобы устройство можно было проверять несколько раз. днем, в том числе ночью, и в большинстве условий окружающей среды, в том числе во время пыльной бури.
Обзор 
Тестирование 
Установлены MOXIE основывается на более раннем эксперименте, Mars In-situ производстве топлива Precursor (MIP), который был разработан и построен для полетов в рамках миссии Mars Surveyor 2001 Lander. MIP был предназначен для демонстрации производства топлива на месте (ISPP) в лабораторном масштабе с использованием электролиза диоксида углерода для производства кислорода. Демонстрация полета MIP была отложена, когда миссия посадочного модуля Mars Surveyor 2001 была отменена после неудачной миссии Mars Polar Lander.
Главным исследователем MOXIE является Майкл Хехт из обсерватории Хейстэк при Массачусетском технологическом институте (MIT). Заместитель генерального директора - бывший астронавт НАСА Джеффри Хоффман из Департамента аэронавтики и астронавтики Массачусетского технологического института. Руководителем проекта является Джефф Меллстром из Лаборатории реактивного движения НАСА / Калифорнийского технологического института (JPL). Наряду с MIT и JPL основными участниками являются OxEon Energy (ранее Ceramatec, Inc. ) и Air Squared. Среди других участников - Имперский колледж Лондона, Space Exploration Instruments LLC, Destiny Space Systems LLC, Институт Нильса Бора при Копенгагенском университете, Государственный университет Аризоны и Технический университет Дании.
MOXIE собирает, сжимает и нагревает марсианские атмосферные газы с помощью HEPA-фильтра, спирального компрессора и нагревателей вместе с изоляцией, а затем разделяет углекислый газ ( CO 2) молекулы кислорода (O) и окиси углерода (CO) с помощью электролиза твердого оксида, где атомы O объединяются с образованием газообразного кислорода ( O 2).
Для процесса преобразования требуется температура примерно 800 ° C (1470 ° F). Электролизная ячейка на твердом оксиде работает по принципу, согласно которому при повышенных температурах определенные оксиды керамики, такие как оксид циркония, стабилизированный оксидом иттрия (YSZ) и легированный оксид церия, становятся проводниками оксидных ионов (O 2–). Тонкий непористый диск из YSZ (твердый электролит) зажат между двумя пористыми электродами. CO 2диффундирует через пористый электрод ( катод ) и достигает вблизи границы электрод-электролит. Благодаря сочетанию термической диссоциации и электрокатализа атом кислорода высвобождается из CO. 2молекула и забирает два электрона с катода, чтобы стать оксидным ионом (O 2–). Через вакансии иона кислорода в кристаллической решетке электролита ион кислорода переносится к границе электролит – анод за счет приложенного постоянного потенциала. На этой границе ион кислорода передает свой заряд аноду, соединяется с другим атомом кислорода с образованием кислорода ( O 2) и диффундирует из анода.
Таким образом, чистая реакция составляет 2 CO. 2 2 СО + О 2. Инертные газы, например, азот ( N 2) и аргон (Ar) не отделяются от сырья, а возвращаются в атмосферу с монооксидом углерода (CO) и неиспользованным CO. 2.
Первый марсианский тест производства кислорода MOXIE на графике 20 апреля 2021 года Производство кислорода было впервые достигнуто 20 апреля 2021 года в кратере Джезеро, при этом было произведено 5,37 грамма (0,189 унции) кислорода, что эквивалентно тому, что астронавту на Марсе нужно было бы дышать примерно 10 минут. MOXIE разработан для безопасного производства до 10 г / ч (0,35 унций / ч) кислорода, при этом теоретическое производство ограничено до 12 г / ч (0,42 унций / ч) кислорода из-за ограниченной мощности источника питания 4 ампера для полета.. Произведенный кислород анализируется, а затем возвращается в атмосферу.
MOXIE планирует изолировать кислород еще девять раз в течение примерно двух земных лет или одного марсианского года в три этапа; на первом этапе будет дополнительно изучено производство кислорода, на втором - испытать прибор в разное время суток, сезоны и атмосферные условия, а на третьем - произвести кислород при разных температурах и изменить режим работы для исследования различий в производство.
21 апреля 2021 года Джим Рейтер, помощник администратора STMD, объяснил, что эксперимент работает с результатами, имеющими множество применений, заявив: «Это важный первый шаг в преобразовании углекислого газа в кислород на Марсе. У MOXIE есть еще над чем поработать., но результаты этой демонстрации технологии полны надежд по мере того, как мы приближаемся к нашей цели - однажды увидеть людей на Марсе. Кислород - это не только то, чем мы дышим. Ракетное топливо зависит от кислорода, а будущие исследователи будут зависеть от производства топлива. на Марс, чтобы отправиться домой ".
НАСА заявляет, что если бы MOXIE работал эффективно, они могли бы посадить на планету примерно в 200 раз больше, основанный на MOXIE прибор, а также электростанцию, способную генерировать 25–30 киловатт (34–40 л.с.). В течение примерно одного земного года эта система будет производить кислород со скоростью не менее 2 килограммов в час (4,4 фунта / ч) для поддержки человеческой миссии где-то в 2030-х годах. Сохраненный кислород можно было бы использовать для жизнеобеспечения, но основная потребность - в окислителе для поднимающегося на Марс корабля. Например, прогнозируется, что в миссии четырех астронавтов на поверхности Марса в течение года только около 1 метрической тонны кислорода будет использоваться для жизнеобеспечения в течение всего года, по сравнению с примерно 25 метрическими тоннами кислорода для движения с поверхности. Марса для обратной миссии. CO, побочный продукт реакции, может собираться и использоваться в качестве низкосортного топлива или реагировать с водой с образованием метана ( CH 4) для использования в качестве основного топлива. В качестве альтернативы система генерации кислорода может заполнить небольшой кислородный баллон для поддержки миссии по возврату пробы. Кислород также можно объединить с водородом с образованием воды.
Данные NASA (марсоход MARS 2020 Mission Perseverance), Ceramatec и OxEon Energy, Лаборатория реактивного движения НАСА.
• Основная работа: производить кислород из марсианской атмосферы, содержащей углекислый газ.
• Расположение: внутри марсохода (спереди, справа)
• Масса: 17,1 кг.
• Вес: 37,7 фунта на Земле, 14,14 фунта на Марсе.
• Мощность: 300 Вт
• Объем: 9,4 x 9,4 x 12,2 дюйма (23,9 x 23,9 x 30,9 см)
• Скорость производства кислорода: до 10 граммов в час (минимум 0,022 фунта в час)
• Время работы: примерно один час производства кислорода (O2) за эксперимент. которые будут планироваться периодически в течение всей миссии.
MOXIE: Operational Design Drive (SOXE):
• Газовый поток: внутренний коллектор для чистоты O2 и dP
• Подача: СУХОЙ СО2 в диапазоне 30-80 г / час.
• Продукт: чистый O2 99,6%, внутренний коллектор
• Конструкция: устойчивость к запуску, ударам и вибрации EDL, требованиям к нагрузке на сжатие.
• Мощность: сильно ограниченная
• Масса: не более 1 кг.
• Объем: жестко ограничен
• Эксплуатация: 20+ 120-минутных циклов
• Рампы нагрева: 90 минут (~ 515 ° C / час) от температуры окружающей среды (потенциально -40 ° C) до 800 ° C.
• Нагревание: нагреватели только на концевых пластинах
МОКСИ: Драйверы дизайна материалов:
• Межкомпонентные соединения (IC): порошковая металлургия (CFY, Plansee)
• Уплотнения: стеклянные уплотнения
• Токовые шины: паяный пруток / сварная проволока.
• Подающие коллекторы: впускная труба / внутренний коллектор чистота O2
• Анодный электрод: перовскит
• Катодный электрод: модифицированный патентованный кермет.
• Электролит: диоксид циркония, стабилизированный скандиями (ScSZ)
МОКСИ: Дизайн ячеек:
• Количество ячеек: 10 ячеек (расположены в двух стопках по 5 ячеек в каждой).
• Производство кислорода: 10 граммов в час (gt; 1 г / час на ячейку)
• Каждая ячейка состоит из:
- Электролит (стабилизированный оксидом иттрия оксид циркония YSZ)
- Катод
- анод
• Соединительные элементы:
- Сплав с высоким содержанием хрома (КТР соответствует керамическому электролиту)
- Приблизительно 100 мм x 50 мм x 2 мм
- Содержит коллектор для газовых потоков
MOXIE: Система подачи газа (спиральный компрессор):
• Скорость сжатия спирального насоса: примерно до 1 бара
• Обороты спирального насоса: низкоскоростные (2000-4000 об / мин)
• Производительность: входящий газ: 83 г / час, P = 7 торр, T = 20 ° C, штифт = 120 Вт, масса: ~ 2 кг
МОКСИ: Цели:
• Рабочие циклы: основные требования к миссии предполагают возможность работы в общей сложности 20 циклов:
- 10 циклов предполетной подготовки
- 10+ циклов на Марсе
• Квалификационное и проверочное тестирование: оно включает 60 полных рабочих циклов для подтверждения расширяемости, что в три раза превышает количество циклов, запланированных для основной задачи.
• Чистота кислорода: 99,6% + в конце срока службы
• Температурные возможности: возможность работы при температуре до -65 ° C.
• Требования к сжатию, ударам и вибрации:
- Выдерживает силу сжатия 8 кН
- Выдерживает (PF) + уровни 3 дБ для требований к ударным нагрузкам и вибрации в полете
2 СО + О 2.