Η ατμόσφαιρα του Άρη, στην παρούσα κατάστασή της, δεν είναι καθόλου φιλική προς τους γήινους. Είναι εξαιρετικά λεπτή, πάνω από 100 φορές λιγότερο πυκνή από τη Γη, και αποτελείται κυρίως από διοξείδιο του άνθρακα. Οποιοσδήποτε άνθρωπος επιχειρούσε να αναπνεύσει, σύντομα δεν θα μπορούσε να αναπνεύσει καθόλου.
Αλλά σε αυτόν τον σκονισμένο, ξηρό, εξωγήινο κόσμο, ένα μικρό όργανο, λίγο μεγαλύτερο από έναν χαρτοφύλακα, παράγει αναπνεύσιμο οξυγόνο από την ατμόσφαιρα του Άρη.
Πρόκειται για την πρώτη επίδειξη της επεξεργασίας επιτόπιων πόρων για ανθρώπινη χρήση σε έναν άλλο πλανήτη – δημιουργώντας έναν τρόπο με τον οποίο θα μπορούσε να παραχθεί αναπνεύσιμος αέρας για μια ανθρώπινη αποστολή στον κόκκινο πλανήτη.
Ονομάζεται MOXIE ( Mars Oxygen In-Situ Resource Utilization (ISRU) Experiment) και, εγκατεστημένο στην κοιλιά του Perseverance rover της NASA, χρησιμοποιεί μια διαδικασία που ονομάζεται ηλεκτρόλυση για να διασπάσει το αρειανό διοξείδιο του άνθρακα σε μονοξείδιο του άνθρακα και οξυγόνο.
Από τον Φεβρουάριο του 2021, όταν προσεδαφίστηκε το Perseverance, μέχρι το τέλος του 2021, το MOXIE παρήγαγε οξυγόνο επτά φορές – και θα συνεχίσει να το κάνει, δήλωσαν οι ερευνητές.
“Αυτή είναι η πρώτη επίδειξη της πραγματικής χρήσης πόρων στην επιφάνεια ενός άλλου πλανήτη και της χημικής μετατροπής τους σε κάτι που θα ήταν χρήσιμο για μια ανθρώπινη αποστολή”, λέει ο πρώην αστροναύτης της NASA και αναπληρωτής κύριος ερευνητής του MOXIE Jeffrey Hoffman του MIT.
“Είναι ιστορική στιγμή από αυτή την άποψη”.
Η παραγωγή οξυγόνου μέσω ηλεκτρόλυσης δεν είναι κάτι καινούργιο. Ο Διεθνής Διαστημικός Σταθμός, για παράδειγμα, χρησιμοποιεί ηλεκτρόλυση για να διασπάσει το νερό σε υδρογόνο και οξυγόνο και να συμπληρώσει έτσι την παροχή αναπνεύσιμου αέρα.
Ωστόσο, στον Άρη, το νερό μπορεί να είναι πολύτιμο για να χρησιμοποιηθεί με αυτόν τον τρόπο.
Ευτυχώς, το οξυγόνο είναι συστατικό πολλών ενώσεων, συμπεριλαμβανομένου του διοξειδίου του άνθρακα που αποτελεί περίπου το 96% της ατμόσφαιρας στον Άρη: ένα μόριο που αποτελείται από ένα άτομο άνθρακα και δύο άτομα οξυγόνου.
Η ηλεκτροχημική αναγωγή του διοξειδίου του άνθρακα στα συστατικά του στοιχεία είναι καλά μελετημένη, γνωστή και κατανοητή- η πρόκληση ήταν να αναπτυχθεί, εδώ στη Γη, ένα όργανο που θα μπορούσε να το κάνει στον Άρη με τα διαθέσιμα υλικά.
Η παραγωγή οξυγόνου στον Άρη βήμα-βήμα
Η παραγωγή οξυγόνου από το MOXIE είναι μια διαδικασία πολλών σταδίων.
Πρώτον, αντλεί αρειανό αέρα μέσω ενός φίλτρου που τον καθαρίζει. Αυτός ο καθαρισμένος αρειανός αέρας συμπιέζεται, θερμαίνεται και αποστέλλεται στον ηλεκτρολύτη στερεών οξειδίων (SOXE). Ο ηλεκτρολύτης διασπά το διοξείδιο του άνθρακα σε μονοξείδιο του άνθρακα, το οποίο εκτονώνεται πίσω στην ατμόσφαιρα του Άρη, και σε ιόντα οξυγόνου.
Στη συνέχεια, τα ιόντα οξυγόνου ανασυνδυάζονται σε Ο2 ή μοριακό οξυγόνο, το οποίο μετράται ως προς την ποσότητα και την καθαρότητα του πριν εκτονωθεί και πάλι προς τα έξω.
Η διαδικασία αυτή, όπως διαπίστωσαν οι επιστήμονες, οδήγησε αξιόπιστα στην παραγωγή αναπνεύσιμου οξυγόνου. Μετά από αρκετές ώρες προθέρμανσης, λειτουργεί για 1 ώρα ανά πείραμα, ακολουθούμενη από μια περίοδο απενεργοποίησης.
Σε αυτή τη 1 ώρα λειτουργίας, το MOXIE έχει σχεδιαστεί για να παράγει έως και 10 γραμμάρια – περίπου 20 λεπτά αναπνεύσιμου οξυγόνου για έναν αστροναύτη.
Σε κάθε μία από τις επτά δοκιμές του, το MOXIE παρήγαγε μεταξύ 5,4 και 8,9 γραμμαρίων μοριακού οξυγόνου, συνολικά 49,9 γραμμάρια.
Δεδομένου ότι η θερμοκρασία και η πυκνότητα του αέρα στον Άρη μεταβάλλονται σε μεγάλο βαθμό, όχι μόνο από τη μέρα στη νύχτα, αλλά και κατά τη διάρκεια των εναλλασσόμενων εποχών του έτους, το MOXIE πρέπει να είναι σε θέση να λειτουργεί σε ένα ευρύ φάσμα θερμοκρασιών και πυκνοτήτων αέρα.
Στις επτά δοκιμές του, το MOXIE ήταν σε θέση να παράγει οξυγόνο σε διάφορες συνθήκες: κατά τη διάρκεια της ημέρας, της νύχτας και καθ’ όλη τη διάρκεια του έτους.
“Το μόνο πράγμα που δεν έχουμε αποδείξει είναι η λειτουργία κατά την αυγή ή το σούρουπο, όταν η θερμοκρασία αλλάζει σημαντικά”, λέει ο επικεφαλής ερευνητής του MOXIE Michael Hecht από το Παρατηρητήριο Haystack του MIT.
“Έχουμε έναν άσσο στο μανίκι μας που θα μας επιτρέψει να το κάνουμε αυτό, και μόλις το δοκιμάσουμε στο εργαστήριο, μπορούμε να φτάσουμε σε αυτό το τελευταίο ορόσημο για να δείξουμε ότι μπορούμε πραγματικά να τρέξουμε ανά πάσα στιγμή”.
Ιδανικά, βέβαια, ο στόχος είναι ένα σύστημα υποστήριξης της ζωής που μπορεί να λειτουργεί συνεχώς, αφού έτσι πρέπει να αναπνέουν οι άνθρωποι. Και θα πρέπει να είναι πολύ μεγαλύτερο από το MOXIE: μια μικρή ομάδα αστροναυτών, είπε ο Hecht πέρυσι, θα χρειαστεί περίπου έναν μετρικό τόνο αναπνεύσιμου οξυγόνου για ένα μόνο έτος στον Άρη.
Και σε αυτό δεν περιλαμβάνεται το οξυγόνο που απαιτείται για το προωθητικό υλικό για το ταξίδι της επιστροφής – συνολικά η αποστολή θα χρειαζόταν περίπου 500 τόνους οξυγόνου, όπως υπολόγισε η ομάδα.
Η επόμενη πειραματική δοκιμή θα πραγματοποιηθεί την εποχή του έτους που η ατμόσφαιρα είναι πιο πυκνή. Στη συνέχεια, είπε η ομάδα, θα φτάσουν το όργανο στα όριά του, για να προσπαθήσουν να παράγουν όσο περισσότερο οξυγόνο μπορούν.
Αυτό όχι μόνο θα δείξει τι μπορεί να κάνει το MOXIE, αλλά θα καταδείξει και τους περιορισμούς του, οι οποίοι, με τη σειρά τους, θα βοηθήσουν στην κατασκευή μιας πιο ισχυρής μηχανής για την ενδεχόμενη επανδρωμένη αποστολή στον Άρη.
Και αυτό θα επιλύσει ένα σημαντικό μέρος του παζλ που αφορά όχι μόνο το να γίνει ο Άρης ένας κατοικήσιμος τόπος πιο φιλόξενος για τους ανθρώπους, αλλά και το να εξασφαλιστεί η ασφαλής επιστροφή τους στην πατρίδα.
Η έρευνα δημοσιεύτηκε στο: Science Advances
με Αριθμό Μητρώου 12691
