4月22日,美国航天局(NASA)宣布,正在耶泽罗陨击坑工作的“毅力”号火星车(Perseverance)首次利用火星大气中的二氧化碳制备出氧气。这项开创性的工作对将来载人登陆火星来说,是个重要的尝试。
“毅力”号化身氧气工厂(来源:the Federal/Prathap Ravishankar)
火星大气很稀薄,气压只有地球的1%,大气主要成分为二氧化碳,含量为96%,氮气有1.9%,氧气则只有0.15%。如果人类想登陆火星,必须解决供氧问题,这是由于发射窗口的原因,航天员在火星上必须停留近1年才能踏上归途。而正常人一个小时的基础耗氧量大概是14~15升,一年需要150千克,运动时和工作时对氧气的消耗会多许多。听上去好像并不多嘛。确实,人的呼吸不需要那么多,跟火箭起飞比起来根本不算啥。根据NASA的估计,让四名航天员离开火星表面将需要大约7吨的火箭燃料和25吨的氧气!我们几乎绝无可能从地球带那么多资源去火星,必须从火星上就地取材制造氧气。
“毅力”号上携带的氧气制备实验设备“默克西”(来源:NASA)
不过,这曾经是科幻小说中的情节现如今已经跨出了重要的第一步。今年登陆红色星球的美国“毅力”号火星车上携带了一个“黑科技”——默克西(MOXIE),全名是火星氧气原位资源应用实验装置(Mars Oxygen In-Situ Resource Utilization Experiment),收集火星大气中的二氧化碳,并通过电化学的方法生成氧气。这是一项大胆的尝试,正如其名——moxie在英文中是“英勇、决心的性格特征”。说起这个名字,也确有来历,在19世纪晚期,美国有一款功能饮料就叫这个Moxie,据说能够提神,给人们带来活力和耐力(好似今天的“某牛”)。
Moxie饮料广告(来源:网络)
MOXIE通过采集和压缩系统(CAC)从火星大气中收集二氧化碳,把它们压缩至大约1个大气压。然后,将加压的二氧化碳气体送入固体氧化物电解槽(SOXE),在这里,二氧化碳分子(CO2)将被分解成氧气分子(O2)和一氧化碳分子(CO)。这一过程相当于燃料电池的逆反应,纯氧气将在阳极上产生。氧气在经过纯度分析后,会与一氧化碳及其他废气一同再排放回火星大气中。其中,电解槽的工作温度大约为800°C,因此需要一个复杂的热隔离系统,包括输入气体的预热和废气的冷却。
MOXIE制氧示意图(来源:NASA)
在经过2小时的预热后,MOXIE开始以每小时6克的速度制造氧气。运行1小时后,MOXIE产生了5.37克纯氧气(为了评估仪器的状态,在运行过程中有两次减少了制氧量)。这个量虽然不多,但足以维持一名宇航员10分钟的正常活动。
MOXIE首次制氧实验制氧数据(来源:MIT Haystack Observatory)
不过,1小时的工作产生10分钟的氧气,是不是有些划不来呢?这笔账还不能那么生硬地计算,因为这项实验毕竟只是一个开始。虽然量不大,也让人们收获巨大的信心。毕竟现在的MOXIE仅仅是台24厘米宽度的立方体,重量不过17公斤,制氧量最多一小时10克。如果将来能送一台更大的MOXIE部署到火星上,制氧量将是相当可观的。就如前文所说,从地球带25吨氧气到火星不太实际,但是运一台1吨重的MOXIE并非天方夜谭。
MOXIE似乎让人们看到了美好的红色未来。不过它的意义不至于此。我们回过头再来看看自己的蓝色家园,如果把这项技术用于治理温室气体排放,是不是同样意义非凡?总之,这事儿变得越来越有趣了。
MOXIE是否是将火星(M)改造成地球(E)的第一步呢?(来源:MIT Haystack Observatory
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