历史性的突破：在火星上制造氧气

在距离地球近1.5亿千米的那颗尘土飞扬的红色星球的表面，一个只有饭盒大小的仪器，正在证明它能够可靠地完成一棵树的工作，那就是制造氧气。

自2021年4月以来，也就是MOXIE（火星氧气原位资源利用实验）作为“毅力号”火星车的一部分降落到火星表面两个月之后，它一直利用火星富含二氧化碳的大气中制造氧气。

毅力号上的科学仪器。右下角示意图中黄色部分便是MOXIE。（图／NASA）

在发表在《科学进展》上的一篇论文中，研究人员报告，到2021年底，MOXIE在各种大气条件下，包括在白天和晚上，以及在不同的火星季节，进行了7次实验性的氧气生产。在每次运行中，仪器都达到了每小时生产约6克氧气的目标，大约相当于地球上一棵小树的制氧速度。

用火星空气制氧

目前版本的MOXIE设计得很小，质量不到20千克，以便它被安装在毅力号上。

洁净室里的MOXIE。（图／NASA/JPL-Caltech）

尽管目前的设计存在一些必要的妥协，但这台仪器已经表明，它能可靠且有效地将火星大气转化为纯氧。

它的做法是，首先通过一个过滤器，将火星空气吸入，清除其中的污染物。然后空气被加压，并被送入固体氧化物电解槽（SOXE），通过电化学方法将富含二氧化碳的空气分解成氧离子和一氧化碳。

接下来，氧离子被分离并重新组合，形成可供呼吸的分子氧。MOXIE会测量分子氧的生成量和纯度，然后将它与一氧化碳和其他大气气体一起无害地释放回空气中。

目前，MOXIE仅需满足短期运行。根据研究团队安排的探测时间表，它在每次运行的前后都会启动和关闭。

自2021年2月着陆以来，MOXIE的工程师在一个火星年中启动了7次仪器，每次都需要几个小时来预热，然后再花一个小时来制造氧气，最后再关闭电源。

每次运行被安排在白天或晚上的不同时间，以及不同的季节，以便观察MOXIE是否能适应这个星球大气条件的各种变化。这是因为，火星的大气比地球的要多变得多。空气密度在一年中可以产生大约2倍的差异，温度也会有数十度甚至更高的波动。

毅力号着陆点的大气密度变化预测。（图／Hoffman, J. A. et al., 2022）

到目前为止，MOXIE已经证明，它几乎可以在火星一年里的任何季节、一天中的任何时间制造氧气。团队唯一还没有证明的是，仪器在黎明或黄昏时运行的状况，这两个时段温度正在发生明显变化。他们有信心可以做到这一点，一旦实验室测试完成后，就可以达到最后这个里程碑。

迈出的第一步

随着MOXIE继续在火星上制造氧气，工程师正计划提高它的能力，增加产量，特别是在火星的春季，当大气密度和二氧化碳水平较高时。

下一次运行将被安排在火星一年中密度最高的时候。团队会把一切都设置得尽可能高，并让它尽可能长时间地运行。

同时，他们还将监测这一系统的磨损迹象。由于每次运行都需要开启和关闭，这有可能让系统退化。

MOXIE只是一个测试模型，研究人员设想，它的放大版可以在人类任务之前被送往火星，而且最好可以连续运行，以几百棵树的制氧速度持续生产氧气。

在这种能力下，这个系统应产生足够的氧气，能维持人类到达后的生活，并为火箭提供燃料，让航天员返回地球。到目前为止，MOXIE的稳定输出是朝着这个目标迈出的有希望的第一步。

MOXIE在火星上生产氧气也代表了“原位资源利用”的首次展示，这种想法其实就是，收集并利用一颗星球上的材料（对MOXIE而言就是火星上的二氧化碳），来制造出原本不得不从地球上运输来的资源（氧气）。

也就是说，这是第一次实际利用另一颗行星表面的资源，并利用化学转化为对人类任务有用的东西。从这个意义上说，这项实验是历史性的。

参考来源：

https://news.mit.edu/2022/moxie-oxygen-mars-0831

https://mars.nasa.gov/mars2020/spacecraft/instruments/moxie/

https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abp8636

封面图/首图：NASA/JPL-Caltech

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