تجربة استخدام موارد الأكسجين في الموقع على سطح المريخ

كانت تجربة استخدام موارد الأكسجين في الموقع على سطح المريخ ( MOXIE ) ^{[ 1 ]} عرضًا تقنيًا على متن مركبة ناسا الجوالة " برسيفيرانس " التابعة لمهمة المريخ 2020، والتي هدفت إلى دراسة إنتاج الأكسجين على سطح المريخ . ^{[ 2 ]} في 20 أبريل 2021، أنتجت MOXIE الأكسجين من ثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي للمريخ باستخدام التحليل الكهربائي لأكسيد صلب . وكان هذا أول استخلاص تجريبي لمورد طبيعي من كوكب آخر للاستخدام البشري. ^{[ 1 ] [ 3 ]} يمكن توسيع نطاق هذه التقنية لاستخدامها في مهمة مأهولة إلى الكوكب لتوفير الأكسجين القابل للتنفس، والمؤكسد ، والوقود الدافع ؛ كما يمكن إنتاج الماء عن طريق دمج الأكسجين المُنتَج مع الهيدروجين . ^{[ 4 ]}

كانت التجربة عبارة عن تعاون بين معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا ، ومرصد هاياستاك ، ومختبر الدفع النفاث التابع لناسا/ كالتك ، مع شركة أوكسيون للطاقة.

كان هدف MOXIE هو إنتاج الأكسجين بنسبة نقاء لا تقل عن 98٪ بمعدل 6-10 جرامات في الساعة (0.21-0.35 أونصة/ساعة) والقيام بذلك عشر مرات على الأقل، بحيث يمكن اختبار الجهاز في مجموعة من أوقات اليوم، بما في ذلك الليل، وفي معظم الظروف البيئية، بما في ذلك أثناء عاصفة ترابية . ^{[ 1 ]} 

تعتمد تجربة MOXIE على تجربة سابقة، وهي تجربة إنتاج الوقود الموضعي على سطح المريخ (MIP)، التي صُممت وبُنيت لتُستخدم في مهمة مركبة الهبوط Mars Surveyor 2001. ^{[ 5 ]} كان الهدف من MIP هو إثبات إنتاج الوقود الموضعي (ISPP) على نطاق المختبر باستخدام التحليل الكهربائي لثاني أكسيد الكربون لإنتاج الأكسجين. ^{[ 6 ]} تم تأجيل تجربة MIP بعد إلغاء مهمة مركبة الهبوط Mars Surveyor 2001 إثر فشل مهمة مركبة الهبوط Mars Polar Lander . ^{[ 7 ] [ 8 ]}

كان الباحث الرئيسي لمشروع MOXIE هو مايكل هيشت من مرصد هاياستاك في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا (MIT). ^{[ 9 ]} وكان نائب الباحث الرئيسي رائد الفضاء السابق في وكالة ناسا، جيفري هوفمان، من قسم هندسة الطيران والفضاء في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا. أما مدير المشروع فكان جيف ميلستروم من مختبر الدفع النفاث التابع لوكالة ناسا/معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا (JPL). إلى جانب معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا ومختبر الدفع النفاث، ساهم في المشروع بشكل رئيسي كل من شركة أوكسيون إنرجي ( سيراماتيك سابقًا ) وشركة إير سكويرد . ومن بين المساهمين الآخرين: إمبريال كوليدج لندن ، وشركة سبيس إكسبلوريشن إنسترومنتس، وشركة لونار آوتبوست (ديستني سبيس سيستمز سابقًا)، ومعهد نيلز بور في جامعة كوبنهاغن ، وجامعة ولاية أريزونا ، والجامعة التقنية في الدنمارك . ^{[ 10 ] [ 11 ]}

مقطع عرضي

الاختبار

تم التثبيت

يقوم جهاز MOXIE باكتساب غازات الغلاف الجوي المريخي وضغطها وتسخينها باستخدام مرشح HEPA وضاغط حلزوني وسخانات إلى جانب العزل، ^{[ 1 ]} ثم يقوم بفصل ثاني أكسيد الكربون ( CO2).₂ ) تحويل الجزيئات إلىأكسجين(O)وأول أكسيد الكربون(CO) باستخدامالتحليل الكهربائي لأكسيد صلب، حيث تتحد ذرات الأكسجين لتكوين الأكسجين الغازي (O).₂ ). ^{[ 12 ]}

تتطلب عملية التحويل درجة حرارة تقارب 800 درجة مئوية (1470 درجة فهرنهايت) . ^{[ 4 ]} تعمل خلية التحليل الكهربائي للأكسيد الصلب على مبدأ أنه عند درجات حرارة مرتفعة، ^{[ 12 ]} تصبح بعض أكاسيد السيراميك، مثل الزركونيا المثبتة بالإيتريوم (YSZ) والسيريا المُطعّمة ، موصلات لأيونات الأكسيد (O2– ⁾ . يتم وضع قرص رقيق غير مسامي من YSZ (إلكتروليت صلب) بين قطبين كهربائيين مساميين . CO  _{ينتشر جزيء ثاني} أكسيد الكربون عبر القطب المسامي (الكاثود) ويصل إلى منطقة قريبة من حدود القطب والإلكتروليت. ومن خلال مزيج من التفكك الحراري والتحفيز الكهربائي، تتحرر ذرة أكسجين منثاني أكسيد الكربون.يكتسب جزيء الأكسجين إلكترونين من المهبط ليصبح أيون أكسيد (O²⁻ ₎ ^.وبفضلالتيار. عند هذا السطح، ينقل أيون الأكسجين شحنته إلىالمصعد، ويتحد مع ذرة أكسجين أخرى لتكوين الأكسجين (O₂).₂ )، وينتشر خارج المصعد. ^{[ 1 ]}

وبالتالي، كان التفاعل الكلي هو 2 CO₂${\displaystyle \longrightarrow }$2 CO + O_2. الغازاتالخاملةمثلغاز النيتروجين(N2)₂ )الأرجون(Ar) عن المادة المغذية، بل يتم إعادتهما إلى الغلاف الجوي مع أول أكسيد الكربون (CO) وثانيأكسيد الكربون_2. ^{[ 1 ]}​

تم إنتاج الأكسجين لأول مرة في 20 أبريل 2021 في فوهة جيزيرو ، حيث بلغ الإنتاج 5.37 غرام (0.189 أونصة) ، وهو ما يعادل كمية الأكسجين التي يحتاجها رائد فضاء على سطح المريخ للتنفس لمدة 10 دقائق تقريبًا. ^{[ 13 ]} صُمم جهاز MOXIE لإنتاج ما يصل إلى 10 غرامات/ساعة (0.35 أونصة/ساعة) من الأكسجين بأمان، ^{[ 14 ] [ 4 ]} مع تحديد الإنتاج النظري بـ 12 غرامًا/ساعة (0.42 أونصة/ساعة) من الأكسجين نظرًا للسعة المحدودة لمصدر الطاقة المستخدم في الرحلة (4 أمبير) . ^{[ 1 ]} تم تحليل الأكسجين المُنتج، ثم أُعيد إطلاقه إلى الغلاف الجوي. ^{[ 15 ]}    

استُخدم جهاز MOXIE لعزل الأكسجين تسع مرات أخرى على مدار عامين أرضيين تقريبًا، أو عام مريخي واحد، في ثلاث مراحل؛ ستُجري المرحلة الأولى مزيدًا من البحث حول إنتاج الأكسجين، والثانية لاختبار الجهاز في أوقات مختلفة من اليوم، والفصول، والظروف الجوية، والثالثة لإنتاج الأكسجين عند درجات حرارة مختلفة، وتغيير طريقة التشغيل لدراسة الاختلافات في الإنتاج. ^{[ 4 ]}

في 21 أبريل 2021، أوضح جيم رويتر، المدير المساعد لمركز أبحاث وتطوير الفضاء (STMD)، أن التجربة تعمل بكفاءة ولها نتائج متعددة الاستخدامات، قائلاً: "هذه خطوة أولى حاسمة في تحويل ثاني أكسيد الكربون إلى أكسجين على سطح المريخ. لا يزال أمام مشروع MOXIE المزيد من العمل، لكن نتائج هذا العرض التقني واعدة للغاية ونحن نمضي قدمًا نحو هدفنا المتمثل في رؤية البشر على سطح المريخ يومًا ما. الأكسجين ليس مجرد المادة التي نتنفسها، فوقود الصواريخ يعتمد عليه، وسيعتمد المستكشفون المستقبليون على إنتاج الوقود على سطح المريخ للعودة إلى الأرض." ^{[ 13 ]}

أنتج جهاز MOXIE ما مجموعه 122 غرامًا (4.3 أونصة) من الأكسجين، أي ما يعادل تقريبًا ما يتنفسه كلب صغير في 10 ساعات. وفي ذروة كفاءته، تمكن MOXIE من إنتاج 12 غرامًا من الأكسجين في الساعة (0.42 أونصة/ساعة) ، أي ضعف الكمية التي حددتها ناسا للجهاز في الأصل، بنسبة نقاء 98% أو أعلى. وفي تشغيله السادس عشر والأخير، في 7 أغسطس 2023، أنتج الجهاز 9.8 غرامات (0.35 أونصة) من الأكسجين. وقد استوفى MOXIE بنجاح جميع متطلباته التقنية، وتم تشغيله في ظروف متنوعة طوال عام كامل على سطح المريخ، مما أتاح لمطوري الجهاز فرصة كبيرة لاكتساب معرفة معمقة بهذه التقنية. ^{[ 16 ]}     

تُشير ناسا إلى أنه في حال عمل جهاز MOXIE بكفاءة، فسيكون بالإمكان إنزال جهازٍ أكبر منه بحوالي 200 ضعف، مُعتمد على تقنية MOXIE، على سطح المريخ، بالإضافة إلى محطة طاقة قادرة على توليد 25-30 كيلوواط (34-40 حصانًا) . ^{[ 1 ]} وعلى مدار عام أرضي تقريبًا، سيُنتج هذا النظام الأكسجين بمعدل لا يقل عن كيلوغرامين في الساعة (4.4 رطل/ساعة) ^{[ 1 ]} لدعم مهمة مأهولة في ثلاثينيات القرن الحالي. ^{[ 17 ] [ 18 ]} يُمكن استخدام الأكسجين المُخزّن لدعم الحياة، ولكن الحاجة الأساسية تكمن في مُؤكسد لمركبة الصعود إلى المريخ. ^{[ 19 ] [ 20 ]} على سبيل المثال، في مهمة لأربعة رواد فضاء على سطح المريخ لمدة عام، سيُستخدم حوالي طن متري واحد فقط من الأكسجين لدعم الحياة طوال العام، مقارنةً بحوالي 25 طنًا متريًا من الأكسجين اللازمة للدفع بعيدًا عن سطح المريخ في مهمة العودة. ^{[ 13 ]} يمكن جمع أول أكسيد الكربون، وهو ناتج ثانوي للتفاعل، واستخدامه كوقود منخفض الجودة ^{[ 21 ]} أو تفاعله مع الماء لتكوين الميثان ( CH4).  _٤ ) لاستخدامه كوقود أساسي. ^{[ ٢٢ ] [ ٢٣ ]} وكاستخدام بديل، يمكن لنظام توليد الأكسجين ملء خزان أكسجين صغير كوقود مؤكسد لدعممهمة إعادة العينات. ^{[ ٢٤ ]} ويمكن أيضًا دمج الأكسجين مع الهيدروجين لتكوين الماء. ^{[ ٤ ]}

البيانات من وكالة ناسا (مهمة المريخ 2020 مركبة بيرسيفيرانس الجوالة)، ^{[ 9 ]} سيراماتك وأوكسيون إنرجي، ^{[ 25 ]} مختبر الدفع النفاث التابع لناسا. ^{[ 26 ]}

• المهمة الرئيسية: إنتاج الأكسجين من الغلاف الجوي للمريخ الذي يحتوي على ثاني أكسيد الكربون.
• الموقع: داخل المركبة الجوالة (الأمام، الجانب الأيمن)
• الكتلة: 17.1 كيلوغرام
• الوزن: 37.7 رطل (168 نيوتن) على الأرض، 14.14 رطل (62.9 نيوتن) على المريخ    
• الطاقة: 300 واط
• الحجم: 9.4 بوصة × 9.4 بوصة × 12.2 بوصة (24 سم × 24 سم × 31 سم)          
• معدل إنتاج الأكسجين: يصل إلى 10 غرامات (0.022 رطل) في الساعة 
• مدة التشغيل: حوالي ساعة واحدة من إنتاج الأكسجين ( O2 ₎ لكل تجربة، والتي سيتم جدولتها بشكل متقطع طوال مدة المهمة. ^{[ 9 ]}

موكسي: محرك التصميم التشغيلي (الحجم):

• تدفق الغاز: موزع داخليًا لضمان _نقاء الأكسجين وفرق الضغط.
• التغذية: _ثاني أكسيد الكربون الجاف بمعدل يتراوح بين 30 و80 غ/ساعة
• المنتج: أكسجين نقي بنسبة 99.6% ، مع نظام توزيع _داخلي
• الهيكلية: متينة لتحمل متطلبات الإطلاق، والصدمات والاهتزازات الناتجة عن عملية الإطلاق، وأحمال الضغط.
• الطاقة: محدودة للغاية
• الوزن: 1  كجم كحد أقصى
• الحجم: مقيد بشدة
• مدة التشغيل: أكثر من 20 دورة مدة كل منها 120 دقيقة
• معدلات التسخين: 90 دقيقة (حوالي 515  درجة مئوية / ساعة) من درجة حرارة المحيط (ربما -40 درجة  مئوية) إلى 800  درجة مئوية.
• تطبيق الحرارة: سخانات على الألواح الطرفية فقط ^{[ 25 ]}

موكسي: محركات تصميم المواد:

• الوصلات البينية (IC): تعدين المساحيق (CFY، بلانسي)
• الأختام: أختام زجاجية
• قضبان التوصيل الحالية: قضيب ملحوم / سلك ملحوم
• مشعبات التغذية: أنبوب المدخل/المشعب الداخلي _، نقاء الأكسجين
• قطب الأنود: بيروفسكايت
• قطب الكاثود: سيرميت معدل خاص
• الإلكتروليت: الزركونيا المستقرة بالسكانديا (ScSZ) ^{[ 25 ]}

موكسي: تصميم الخلية:

• عدد الخلايا: 10 (مرتبة في مجموعتين من 5 خلايا لكل مجموعة)
• إنتاج الأكسجين: 10 غرامات في الساعة (>1 غرام/ساعة لكل خلية) ^{[ 26 ]}
• تتكون كل خلية من:
  • إلكتروليت (زركونيا مثبتة بالإيتريا (YSZ))
  • الكاثود
  • المصعد

ربط الخلايا:

• سبيكة عالية الكروم (معامل تمدد حراري مطابق للإلكتروليت الخزفي)
  • الأبعاد التقريبية: 100 مم × 50 مم × 2 مم (3.937 بوصة × 1.969 بوصة × 0.079 بوصة)          
  • يحتوي على مشعب لتدفقات الغاز ^{[ 26 ]}

موكسي: نظام توصيل الغاز (ضاغط حلزوني):

• معدل ضغط المضخة الحلزونية: يصل إلى حوالي 1 بار
• سرعة دوران مضخة التمرير: سرعة منخفضة (2000-4000 دورة في الدقيقة)
• الأداء: غاز المدخل: 83  جم/ساعة، الضغط = 7 تور ، درجة الحرارة = 20  درجة مئوية، القدرة المدخلة = 120 واط، الكتلة: حوالي 2  كجم ^{[ 26 ]}

موكسي: الأهداف:

• الدورات التشغيلية: تتطلب متطلبات المهمة الأساسية القدرة على تشغيل ما مجموعه 20 دورة: ^{[ 27 ]}
  • 10 دورات قبل الرحلة
  • أكثر من 10 دورات على المريخ
• اختبار التأهيل والتحقق: يتضمن 60 دورة تشغيلية كاملة لإثبات قابلية التوسع، وهو ما يعادل ثلاثة أضعاف عدد الدورات المخطط لها للمهمة الأساسية. ^{[ 27 ]}
• نقاء الأكسجين: 99.6% فأكثر في نهاية العمر الافتراضي
• قدرة تحمل درجات الحرارة: قادر على العمل عند درجة حرارة اختبار -65 درجة  مئوية
• متطلبات الضغط والصدمات والاهتزازات:
  • يتحمل  قوة ضغط مقدارها 8 كيلو نيوتن
  • تحمل (PF) + 3  ديسيبل مستويات لمتطلبات الصدمات والاهتزازات أثناء الطيران ^{[ 25 ]}

• الموقع الرسمي