Prošle nedelje helikopter 'Ingenuity' je dospeo čak i na naš 'Dnevnik', dok je rover 'Perseverance' mirovao, gledajući kako njegov mali 'sin' sa rotorima poskakuje. Ali mirovanje ne znači prazan hod. Tim 'Perseverancea' nastavlja da fino podešava najsloženiji rover ikad poslat na površinu Marsa. A sada je došao na red MOXIE instrument, namenjen za proizvodnju kiseonika iz Marsove atmosfere. MOXIE je 20. aprila, 60 sola misije 'Mars 2020', prvi put uspeo da stvori kiseonik u Marsovom krateru Jezero. Dva sata nakon aktiviranja, aparat je nakon jednog sata rada proizveo 5,4 grama kiseonika. Iako je aktivnost instrumenta bila neujednačena, maksimalna stopa proizvodnje iznosila je 6 grama kiseonika na sat. MOXIE je, poput veštačkog drveta, generisao kiseonik iz ugljen-dioksida kao 'oksigenatora' u romanu 'Marsovac' Andyja Weira. Mediji su odmah objavili vest kao da je prva misija s posadom tu pred vratima. No da li je MOXIE-jev kiseonik tako važan događaj? Pokušajmo da odgovorimo na ovo pitanje.
MOXIE prilikom montaže na rover 'Perseverance'. Eksperiment će se sprovoditi u saradnji Instituta MIT, opservatorije Haystack i Nasine laboratorije JPL.
MOXIE (Mars OXygen In-Situ Resource Utilization Experiment) je instrument veličine akumulatora za auto težak 17,1 kg, smešten s desne strane u središnjem korpusu rovera, a njegov rukovodilac je dr Michael Hecht sa Massachusetts Institute of Technology (MIT) iz Kembridža. Kao što je lako uočiti, MOXIE nije među glavnim instrumentima misije već je tehnološki demonstrator za buduće misije s posadom. Tehnički, reč je o exploration technology investigation, baš kao i u slučaju španske meteorološke stanice MEDA. No, dok MEDA ima direktnu uslugu u naučnim operacijama 'Perseverancea', s MOXIE to nije slučaj. Međutim, MOXIE je ni više ni manje nego prvi ISRU (In-Situ Resource Utilization) eksperiment koji se koristi u drugom svetu. Drugim rečima, to je prvi uređaj koji proizvodi resurse koje bi ljudi mogli da koriste na drugoj planeti.
Položaj MOXIE-a i ostalih roverovih instrumenata.
Delovi MOXIE-a. Dimenzije – 23,9 x 23,9 x 30,9 cm, a na Marsu će biti težak 641 gram.
Delovi instrumenta. Plan je da uređaj povremeno proizvodi 6-10 grama 98-postotnog kiseonika na sat tokom čitavog trajanja misije, čak i tokom peščanih oluja.
Kako MOXIE stvara kiseonik? Pa, koristi čvrsti sistem elektrolize čvrstog oksida (keramike) koji razbija molekule ugljen-dioksida na visokoj temperaturi – 800ºC – stvarajući kao produkte anijone kiseonika i molekule ugljen-monoksida. Monoksid se izbacuje napolje, a naelektrisani atomi kiseonika se na anodikombinuju s ostalim atomima kiseonika i tvore molekule kiseonika, koje možemo da dišemo. Da bi to učinio, MOXIE koristi elektrolitske ćelije cirkonijuma i skandijuma kroz koje prolazi ugljenikov dioksid, koji se prvo mora komprimovati da bi se postigao odgovarajući pritisak. Te ćelije koje čine jezgru MOXIE, nazvane SOXE(Solid Oxide Electolysis), razvila je kompanije 'Ceramatec Inc.'. SOXE koristi deset ćelija veličine 22,7 cm2, svaka s naponom od 1,2 volta i maksimalnom snagom 4 ampera. MOXIE-jev rad može da se simulira i u zemaljskim laboratorijama, ali milost odnošenja na Mars će pokazati da je sposoban da održava stalnu proizvodnju kiseonika – kada je, naravno, aktivan – tokom različitih sezona na Marsu, bez obzira na varijacije, količinu prašine u suspenziji, temperaturi i atmosferskom pritisku (koji se, ne zaboravimo, može da menja za 30% u zavisnosti od sezone, i do 10% tokom istog dana).
Redox reakcije koje se dešavaju u nutar MOXIE tokom proizvodnje O2.
Elektrolitički elementi SOXE, deo su MOXIE-a.
MOXIE je u jednom satu proizveo gotovo 6 grama vrlo čistog kiseonika – 99,6% – to jest, da smo u uslovima sličnim onima na Zemljinoj površini, to bi iznosilo oko 3,5 litra ove materije. I da li je to puno? Pa, čovek dnevno troši oko 840 grama kiseonika, pa bi jednosatna proizvodnja MOXIE omogućila astronautu da diše desetak minuta. Očito bi biljka sposobna za proizvodnju kiseonika iz Marsovog vazduha trebala da bude mnogo snažnija, ali ne zaboravimo da je MOXIE prototip u razmeri 1:100. Međutim, MOXIE-ov maksimalni kapacitet je nešto veći, oko 10 grama na sat. Zanimljivo je da bi potomci MOXIE mogli da proizvode kiseonik za astronaute i, uz to, neophodan za pogon njihovih brodova s posadom. Procenjuje se da bi posadi Marsove ekspedicije tokom jedne godine trebalo između 25 i 30 tona kiseonika[1], od čega bi se za disanje koristila samo jedna tona, a ostatak za pogonski sistem njihove letilice (pod pretpostavkom da koriste metan kao gorivo). Ako bi ovih 25 tona bilo lansirano sa Zemlje, za prevoz ove dodatne mase prema jednačini Ciolkovskog trebalo bi poneti još više pogonskog goriva, pa bi misija sposobna da proizvodi vlastiti kiseonik na Marsu uštedela početnu masu od 400 tona. Postrojenje za kiseonik bi za misiju s posadom moralo da ima proizvodni kapacitet od makar 3 kg ove materije na sat.
Proizvodnja kiseonika uz poomoć MOXIE.
Set ćelija MOXIE-a.
Proizvodnja kiseonika na Marsu bi moglo da se kombinuje s proizvodnjom metana pomoću Sabatierovog postupka kako bi se uštedelo još više mase. Međutim, tada bi trebalo odneti i postaviti dva postrojenja za ekstrakciju goriva, odnosno oksidanta. S druge strane, Sabatierov postupak zahteva donošenje i skladištenje vodonika od Zemlje do Marsa, pa se u nekim misijama s ljudskom posadom planira mogućnost proizvodnje jedino kiseonika, dok bi se metan dovezao.
Međutim, pre stvaranja veće verzije MOXIE, trebalo bi rešiti nekoliko detalja. Prvi je visoka temperatura potrebna za elektrolizu, što uključuje znatne troškove energije u operativnom postrojenju za misiju s posadom (oko 42 kilovata). Alternativa je upotreba elektrolitskih membrana na bazi polimera, koje mogu da rade na nižim temperaturama, ali je ovo tehnologija koju tek treba razvijati. Sledeći problem je nabavka odgovarajućeg kompresora, budući da MOXIE sada koristi relativno jednostavan. Tu je i pitanje što učiniti s proizvedenim kiseonikom. MOXIE koristi mehaničko pumpanje za oslobađanje kiseonika, jer se ipak neće da koristi, ali veće postrojenje će morati da ga komprimuje i skladišti, što zahteva više energije i dovodi do drugih logističkih i sigurnosnih problema.
Sledeća rasprava je da li je taj sistem za stvaranje kiseonika iz elektrolize ugljen-dioksida bolji od elektrolize leda kojim obiluju Marsova njedra. S jedne strane, ova tehnika bi omogućila brodu da proizvodi kiseonik bez kopanja, ali, s druge strane, uključuje zanemarivanje vrlo važnog resursa koji misija s posadom ne može da ignoriše. U svakom slučaju, važno je da smo prvi put testirali ISRU sistem na drugoj planeti. Vreme će pokazati je li to istorijski događaj ili puka tehnološka znatiželja.
Rover i dron u krateru Jezero.
[1] NASA za sada procenjuje da bi expedicija posade na Mars zahtevala oko 30 do 45 tona goriva.
Evropski rover koji će da sakuplja uzorke rovera 'Perseverance' na Marsu
KOJI TELESKOP DA KUPIM?
