Марсианский кислородный эксперимент ISRU
 Эксперимент по использованию ресурсов кислорода на Марсе (MOXIE) | |
| Оператор | НАСА |
|---|---|
| Производитель | НАСА/Калифорнийский технологический институт/ Лаборатория реактивного движения ОксЭон Энерджи |
| Тип инструмента | Экспериментальная технология ISRU (использование ресурсов на месте) |
| Функция | Производство кислорода |
| Начало деятельности | 20 апреля 2021 г. |
| Прекращенная деятельность | 3 августа 2023 г. |
| Веб-сайт | Марс |
| Характеристики | |
| Масса | 15 кг (33 фунта) |
| Размеры | 24×24×31 см |
| Потребляемая мощность | 300 Вт |
| Хост-космический корабль | |
| Космический корабль | Упорство |
| Дата запуска | 30 июля 2020 г. |
| Ракета | Atlas V 541 |
| Запуск сайта | Мыс Канаверал SLC-41 |
Эксперимент по использованию ресурсов кислорода на Марсе ( MOXIE ) [ 1 ] Это была демонстрация технологий на NASA Mars 2020 марсоходе Perseverance , исследующая производство кислорода на Марсе . [ 2 ] 20 апреля 2021 года MOXIE произвел кислород из углекислого газа в атмосфере Марса с помощью твердооксидного электролиза . Это была первая экспериментальная добыча природного ресурса с другой планеты для использования человеком. [ 1 ] [ 3 ] Технология может быть расширена для использования в миссии человека на планету, чтобы обеспечить пригодный для дыхания кислород, окислитель и топливо ; воду также можно получить путем объединения полученного кислорода с водородом . [ 4 ]
Эксперимент стал результатом сотрудничества Массачусетского технологического института , обсерватории Хейстек НАСА/ Калифорнийского технологического института , Лаборатории реактивного движения и компании OxEon Energy.
Цель
[ редактировать ]Целью MOXIE было производство кислорода с чистотой не менее 98% со скоростью 6–10 граммов в час (0,21–0,35 унций в час) и сделать это не менее десяти раз, чтобы устройство можно было тестировать в диапазоне раз. дня, в том числе ночью, и в большинстве условий окружающей среды, в том числе во время пыльной бури . [ 1 ]
Разработка
[ редактировать ]
MOXIE основывается на более раннем эксперименте - Precursor для производства топлива на Марсе (MIP), который был спроектирован и построен для полетов в рамках миссии Mars Surveyor 2001 Lander . [ 5 ] MIP был предназначен для демонстрации производства топлива на месте (ISPP) в лабораторном масштабе с использованием электролиза углекислого газа для получения кислорода. [ 6 ] Демонстрация полета MIP была отложена, когда миссия посадочного модуля Mars Surveyor 2001 была отменена после провала миссии Mars Polar Lander . [ 7 ] [ 8 ]
Главным исследователем (PI) MOXIE был Майкл Хехт из обсерватории Хейстек Массачусетского технологического института (MIT). [ 9 ] Заместителем руководителя стал бывший астронавт НАСА Джеффри Хоффман с факультета аэронавтики и астронавтики Массачусетского технологического института. Руководителем проекта был 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 , Университет штата Аризона и Технический университет Дании . [ 10 ] [ 11 ]
Принцип
[ редактировать ]MOXIE собирает, сжимает и нагревает марсианские атмосферные газы с помощью HEPA-фильтра , спирального компрессора и нагревателей наряду с изоляцией. [ 1 ] затем расщепляет углекислый газ ( CO
2 ) молекулы на кислород (O) и окись углерода (CO) с использованием твердооксидного электролиза , где атомы O объединяются с образованием газообразного кислорода ( O
2 ). [ 12 ]
Для процесса преобразования требуется температура около 800 ° C (1470 ° F). [ 4 ] Твердооксидный электролизер работает по принципу, что при повышенных температурах [ 12 ] некоторые керамические оксиды, такие как стабилизированный иттрием диоксид циркония (YSZ) и легированный церий , становятся оксид-ионами (O 2– ) проводники . Тонкий непористый диск из YSZ (твердого электролита) зажат между двумя пористыми электродами . СО
2 диффундирует через пористый электрод ( катод ) и достигает окрестности границы электрод-электролит. Благодаря сочетанию термической диссоциации и электрокатализа атом кислорода высвобождается из CO.
2 и забирает два электрона с катода, превращаясь в оксид-ион (O 2– ). Через вакансии ионов кислорода в кристаллической решетке электролита ион кислорода переносится к границе раздела электролит-анод за счет приложенного потенциала постоянного тока . На этой границе раздела ион кислорода передает свой заряд аноду , соединяется с другим атомом кислорода с образованием кислорода ( O
2 ) и диффундирует за пределы анода. [ 1 ]
Таким образом, итоговая реакция составила 2 CO.
2 2 СО + О
2 . Инертные газы, такие как газообразный азот ( N
2 ) и аргон (Ar) не отделяются от сырья, а возвращаются в атмосферу вместе с окисью углерода (СО) и неиспользованным CO.
2 . [ 1 ]
Марсианский эксперимент
[ редактировать ]
Впервые производство кислорода было достигнуто 20 апреля 2021 года в кратере Джезеро , где было произведено 5,37 грамма (0,189 унции) кислорода, что эквивалентно тому, что астронавту на Марсе нужно было бы дышать в течение примерно 10 минут. [ 13 ] MOXIE был разработан для безопасной генерации до 10 г/ч (0,35 унции/ч) кислорода. [ 14 ] [ 4 ] при этом теоретическое производство кислорода ограничено 12 граммами в час (0,42 унции / час) из-за ограниченной мощности 4 ампера . источника питания на [ 1 ] Произведенный кислород был проанализирован, а затем выпущен обратно в атмосферу. [ 15 ]
MOXIE использовался для выделения кислорода еще девять раз в течение примерно двух земных лет или одного марсианского года в три этапа; На первом этапе будут дополнительно изучены процессы выработки кислорода, на втором — испытания прибора в разное время суток, сезона и атмосферных условий, а на третьем — производство кислорода при различных температурах и изменение режима работы для исследования различий в производство. [ 4 ]
21 апреля 2021 года Джим Рейтер, заместитель администратора по STMD, объяснил, что эксперимент дал результаты, имеющие множество применений, заявив: «Это важный первый шаг в преобразовании углекислого газа в кислород на Марсе. MOXIE еще предстоит проделать большую работу». , но результаты этой демонстрации технологии полны надежд, поскольку мы приближаемся к нашей цели однажды увидеть людей на Марсе. Кислород – это не просто то, чем мы дышим. Ракетное топливо зависит от кислорода, и будущие исследователи будут зависеть от производства топлива. на Марс, чтобы совершить путешествие домой». [ 13 ]
MOXIE произвел в общей сложности 122 г (4,3 унции) кислорода — примерно столько, сколько вдыхает маленькая собака за 10 часов. При максимальной эффективности MOXIE мог производить 12 граммов в час (0,42 унции/ч) кислорода – в два раза больше, чем первоначальные цели НАСА для этого прибора – с чистотой 98% или выше. Во время своего 16-го и последнего запуска 7 августа 2023 года прибор произвел 9,8 г (0,35 унции) кислорода. MOXIE успешно выполнил все свои технические требования и эксплуатировался в различных условиях в течение всего марсианского года, что позволило разработчикам инструмента узнать много нового об этой технологии. [ 16 ]
Подразумеваемое
[ редактировать ]НАСА заявляет, что если бы MOXIE работал эффективно, они могли бы посадить на планете прибор на базе MOXIE примерно в 200 раз большего размера, а также электростанцию, способную генерировать 25–30 киловатт (34–40 л.с.). [ 1 ] В течение примерно одного земного года эта система будет производить кислород со скоростью не менее 2 килограммов в час (4,4 фунта в час). [ 1 ] в поддержку человеческой миссии где-то в 2030-х годах. [ 17 ] [ 18 ] Накопленный кислород можно было бы использовать для жизнеобеспечения, но в первую очередь нужен окислитель для корабля, поднимающегося на Марс. [ 19 ] [ 20 ] Например, предполагалось, что в миссии четырех астронавтов на поверхность Марса в течение года для жизнеобеспечения в течение всего года будет использоваться только около 1 метрической тонны кислорода по сравнению с примерно 25 метрическими тоннами кислорода для движения с поверхности Марса. Марса для обратной миссии. [ 13 ] CO, побочный продукт реакции, можно собирать и использовать в качестве низкосортного топлива. [ 21 ] или реагирует с водой с образованием метана ( CH
4 ) для использования в качестве основного топлива. [ 22 ] [ 23 ] В качестве альтернативного варианта использования система генерации кислорода может заполнить небольшой кислородный баллон в качестве топлива-окислителя для поддержки миссии по возврату проб . [ 24 ] Кислород также можно объединить с водородом с образованием воды. [ 4 ]
Технические характеристики
[ редактировать ]Данные НАСА (марсоход миссии MARS 2020 Perseverance), [ 9 ] Cematec и OxEon Energy, [ 25 ] Лаборатория реактивного движения НАСА. [ 26 ]
- Основная задача: производить кислород из углекислой атмосферы Марса.
- Расположение: Внутри марсохода (спереди, справа)
- Масса: 17,1 килограмма
- Вес: 37,7 фунтов (168 Н) на Земле, 14,14 фунтов (62,9 Н) на Марсе.
- Мощность: 300 Вт
- Объем: 9,4 × 9,4 × 12,2 дюйма (24 см × 24 см × 31 см)
- Скорость производства кислорода: до 10 граммов (0,022 фунта) в час.
- Время работы: Примерно один час производства кислорода ( O 2 ) за эксперимент, который будет периодически планироваться в течение всей миссии. [ 9 ]
MOXIE: Оперативное проектирование (SOXE):
- Поток газа: внутренний коллектор для определения чистоты O 2 и dP.
- Корм: Сухой CO 2 в диапазоне 30–80 г/час.
- Продукт: 99,6 % чистый O 2 , внутренний коллектор.
- Конструктивные особенности: устойчивость к запуску, устойчивость к ударам и вибрации EDL, требования к сжимающим нагрузкам.
- Мощность: сильно ограничена
- Масса: 1 кг макс.
- Объем: жестко ограничен
- Эксплуатация: 20+ 120-минутных циклов.
- Нагрев: 90 минут (около 515 °C/час) от температуры окружающей среды (потенциально -40 °C) до 800 °C.
- Применение тепла: Нагреватели только на торцевых пластинах [ 25 ]
MOXIE: Драйверы дизайна материалов:
- Соединения (IC): порошковая металлургия (CFY, Plansee)
- Уплотнения: Стеклянные уплотнения
- Действующие шины: Паяный стержень/сварная проволока.
- Питающие коллекторы: впускная трубка/внутренний коллектор, O 2 чистота
- Анодный электрод: Перовскит
- Катодный электрод: модифицированный фирменный кермет.
- Электролит: диоксид циркония, стабилизированный скандией (ScSZ). [ 25 ]
МОКСИ: Конструкция ячейки:
- Количество ячеек: 10 (расположены в две стопки по 5 ячеек каждая)
- Производство кислорода: 10 граммов в час (>1 г/час на клетку) [ 26 ]
- Каждая ячейка состоит из:
- Электролит (диоксид циркония, стабилизированный иттрием (YSZ))
- катод
- Анод
Соединение ячеек:
- Сплав с высоким содержанием хрома (КТР соответствует керамическому электролиту)
- Примерно 100 × 50 × 2 мм (3,937 × 1,969 × 0,079 дюйма)
- Содержит коллектор для газовых потоков. [ 26 ]
MOXIE: Система подачи газа (спиральный компрессор):
- Степень сжатия спирального насоса: примерно до 1 бар.
- Число оборотов спирального насоса: Низкоскоростное (2000–4000 об/мин).
- Производительность: Входной газ: 83 г/ч, P = 7 Торр , T = 20 °C, Pin = 120 Вт, Масса: c. 2 кг [ 26 ]
МОКСИ: Цели:
- Эксплуатационные циклы. Основные требования миссии предусматривают возможность выполнения в общей сложности 20 циклов: [ 27 ]
- 10 циклов предполетной подготовки
- 10+ циклов на Марсе
- Квалификационные и проверочные испытания: они включают 60 полных рабочих циклов для подтверждения расширяемости, что в три раза превышает количество циклов, запланированных для основной миссии. [ 27 ]
- Чистота кислорода: 99,6%+ в конце срока службы.
- Температурные характеристики: Способны работать при температуре -65 °C.
- Требования к сжатию, ударам и вибрации:
- Выдерживать сжимающую силу 8 кН.
- Устойчивость (PF) + 3 дБ для требований к ударам и вибрации в полете [ 25 ]
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Перейти обратно: а б с д и ж г час я Хехт, М.; Хоффман, Дж.; Рэпп, Д.; МакКлин, Дж.; СуХу, Дж.; Шефер, Р.; Абобейкер, А.; Меллстрем, Дж.; Хартвигсен, Дж.; Мейен, Ф.; Хинтерман, Э. (06 января 2021 г.). «Марсианский кислородный эксперимент ISRU (MOXIE)» . Обзоры космической науки . 217 (1): 9. Бибкод : 2021ССРв..217....9Н . дои : 10.1007/s11214-020-00782-8 . hdl : 1721.1/131816.2 . ISSN 1572-9672 . S2CID 106398698 .
- ^ Бойтель, Аллард (15 апреля 2015 г.). «НАСА объявляет о полезной нагрузке марсохода Mars 2020 для исследования Красной планеты» . НАСА . Архивировано из оригинала 19 февраля 2021 г. Проверено 25 февраля 2021 г.
- ^ «Устройство НАСА извлекает пригодный для дыхания кислород из разреженного марсианского воздуха» . Ирландские Таймс . Архивировано из оригинала 22 апреля 2021 г. Проверено 22 апреля 2021 г.
- ^ Перейти обратно: а б с д и Поттер, Шон (21 апреля 2021 г.). «Марсоход НАСА Perseverance извлек первый кислород с Красной планеты» . НАСА . Архивировано из оригинала 22 апреля 2021 г. Проверено 22 апреля 2021 г.
- ^ Каплан, Дэвид; Бэрд, Р.; Флинн, Ховард; Рэтлифф, Джеймс; Бараона, Космо; Дженкинс, Филипп; Лэндис, Джеффри; Шейман, Дэвид; Джонсон, Кеннет; Карлманн, Пол (2000). «Демонстрация полета прекурсора по производству топлива на Марсе (MIP) на Марсе в 2001 году - цели проекта и результаты квалификационных испытаний» . Конференция и выставка «Космос 2000» . Американский институт аэронавтики и астронавтики. дои : 10.2514/6.2000-5145 .
- ^ Флавелл, Варин (15 марта 2021 г.). «Производство кислорода на Марсе не подходит команде Джонсона» . Особенности Космического центра имени Джонсона НАСА . Архивировано из оригинала 22 апреля 2021 года . Проверено 22 апреля 2021 г.
- ^ «НАСА» . www.history.nasa.gov . Архивировано из оригинала 14 июля 2019 г. Проверено 22 апреля 2021 г.
- ^ Коломбано, Сильвано (23 сентября 2003 г.). «Робосфера: самоподдерживающаяся роботизированная экология как предшественник исследования планет человеком». Конференция и выставка AIAA Space 2003 . дои : 10.2514/6.2003-6278 . ISBN 978-1-62410-103-8 . S2CID 17750706 .
- ^ Перейти обратно: а б с mars.nasa.gov. «Эксперимент по использованию ресурсов кислорода на Марсе (MOXIE)» . mars.nasa.gov . Архивировано из оригинала 27 февраля 2021 г. Проверено 25 февраля 2021 г.
- ^ «NASA TechPort – Экспериментальный проект ISRU по производству кислорода на Марсе» . ТехПорт НАСА . Национальное управление по аэронавтике и исследованию космического пространства. Архивировано из оригинала 17 октября 2020 года . Проверено 19 ноября 2015 г.
- ^ Брикс, Лиза (26 апреля 2015 г.). «Ученые пытаются получить кислород на Марсе» . Наука Северных стран . Архивировано из оригинала 30 апреля 2015 г. Проверено 15 мая 2015 г.
- ^ Перейти обратно: а б «Разработка, меняющая правила игры: эксперимент ISRU с марсианским кислородом (MOXIE)» (PDF) . Национальное управление по аэронавтике и исследованию космического пространства . Архивировано (PDF) из оригинала 3 декабря 2020 года . Проверено 22 апреля 2021 г.
- ^ Перейти обратно: а б с Поттер, Шон (21 апреля 2021 г.). «Марсоход НАСА Perseverance извлек первый кислород с Красной планеты» . НАСА . Архивировано из оригинала 22 апреля 2021 г. Проверено 23 апреля 2021 г.
- ^ «На борту марсохода НАСА Perseverance MOXIE создает кислород на Марсе» . Новости Массачусетского технологического института | Массачусетский технологический институт . 21 апреля 2021 г. Архивировано из оригинала 21 апреля 2021 г. Проверено 22 апреля 2021 г.
- ^ Коди, Сара (29 июля 2020 г.). «С Настойчивостью и небольшим количеством МОКСИ Массачусетский технологический институт отправляется на Марс» . Новости МТИ . Массачусетский технологический институт . Проверено 20 мая 2021 г.
- ^ mars.nasa.gov (6 сентября 2023 г.). «Эксперимент НАСА по производству кислорода MOXIE завершает миссию на Марс» . Исследование Марса НАСА . Проверено 7 сентября 2023 г.
- ^ Эксперимент ISRU с кислородом на Марсе (MOXIE) . Архивировано 22 декабря 2016 г. в Wayback Machine PDF. Презентация: Миссия и инструменты «МАРС 2020». 6 ноября 2014 г.
- ^ Макси, Кайл (5 августа 2014 г.). «Можно ли производить кислород на Марсе? МОКСИ узнает» . Engineering.com . Архивировано из оригинала 6 ноября 2014 г. Проверено 5 ноября 2014 г.
- ^ Томсон, Иэн (31 июля 2014 г.). «Марсоход 2020: Генерация кислорода и еще 6 удивительных экспериментов» . Регистр . Архивировано из оригинала 6 ноября 2014 г. Проверено 5 ноября 2014 г.
- ↑ Жизнь за счет земли на последнем рубеже. Архивировано 4 ноября 2014 года в Wayback Machine . НАСА, 4 ноября 2014 г.
- ^ Лэндис, Джеффри А.; Линн, Дайан Л. (сентябрь – октябрь 2001 г.). «Марсианская ракета, использующая топливо на месте». Журнал космических кораблей и ракет . 38 (5): 730–735. Бибкод : 2001JSpRo..38..730L . дои : 10.2514/2.3739 .
- ^ Уолл, Майк (1 августа 2014 г.). «Марсоход, генерирующий кислород, приблизит колонизацию» . Space.com . Архивировано из оригинала 4 ноября 2014 г. Проверено 5 ноября 2014 г.
- ^ «Керамический генератор кислорода для систем электролиза углекислого газа | SBIR.gov» . www.sbir.gov . Архивировано из оригинала 6 ноября 2014 г. Проверено 6 ноября 2014 г.
- ^ Лэндис, Джеффри А.; Олесон, Стивен Р.; Паккард, Томас В.; Линн, Дайан Л.; Войтач, Джеффри М.; Мартини, Майкл С.; Фиттье, Джеймс Э.; Гекеньеси, Джон З.; Колоцца, Энтони Дж.; Финканнон, Джеймс; Бери, Кристен М.; Домингес, Гектор; Джонс, Роберт; Смит, Дэвид; Венто, Дэниел (9–13 января 2017 г.). Исследование конструкции поднимающегося на Марс корабля для возврата проб с использованием топлива, вырабатываемого на месте . 10-й симпозиум по использованию космических ресурсов. Грейпвайн, Техас. дои : 10.2514/6.2017-0424 .
- ^ Перейти обратно: а б с д Дж. Хартвигсен, С. Элангован, Дж. Элвелл, Д. Ларсен, Л. Кларк, Э. Митчел, Б. MilletCeramatec, Inc/OxEonEnergy. Разработка и летная квалификация установки твердооксидного электролиза CO 2 для проекта Mars2020 MOXIE
- ^ Перейти обратно: а б с д Абобейкер, Асад (18 сентября 2017 г.). «МОКСИ: Производство кислорода на Марсе» (PDF) . Лаборатория реактивного движения НАСА . Калифорнийский технологический институт . Проверено 5 мая 2021 г.
- ^ Перейти обратно: а б Хартвигсен, Джозеф; Элангован, С.; Фрост, Лиман (8 июля 2018 г.). Перспективы развития ISRU и возрождения атмосферы, ориентированные на развитие MOXIE (PDF) . 48-я Международная конференция по экологическим системам.
Внешние ссылки
[ редактировать ]
