El objetivo de MOXIE era producir oxígeno con una pureza de al menos el 98 % a una velocidad de 6 a 10 gramos por hora (0,21 a 0,35 oz/h) y hacerlo al menos diez veces, para que el dispositivo pueda probarse en distintos momentos del día, incluida la noche, y en la mayoría de las condiciones ambientales, incluida una tormenta de polvo . [1]
Desarrollo
MOXIE se basa en un experimento anterior, el Precursor de producción de propulsante in situ de Marte (MIP), que fue diseñado y construido para volar en la misión Mars Surveyor 2001 Lander . [5] El MIP tenía como objetivo demostrar la producción de propulsante in situ (ISPP) a escala de laboratorio utilizando la electrólisis del dióxido de carbono para producir oxígeno. [6] La demostración de vuelo del MIP se pospuso cuando la misión de aterrizaje Mars Surveyor 2001 se canceló después de que la misión Mars Polar Lander fallara. [7] [8]
El proceso de conversión requiere una temperatura de aproximadamente 800 °C (1470 °F). [4] Una celda de electrólisis de óxido sólido funciona según el principio de que, a temperaturas elevadas, [12] ciertos óxidos cerámicos, como la zirconia estabilizada con itria (YSZ) y la ceria dopada , se convierten en conductores de iones de óxido (O 2– ) . Un disco delgado no poroso de YSZ (electrolito sólido) se coloca entre dos electrodos porosos . CO 2El CO2 se difunde a través del electrodo poroso ( cátodo ) y llega a las proximidades del límite entre el electrodo y el electrolito. Mediante una combinación de disociación térmica y electrocatálisis, se libera un átomo de oxígeno del CO2. 2molécula y recoge dos electrones del cátodo para convertirse en un ion óxido (O 2– ). A través de las vacantes de iones de oxígeno en la red cristalina del electrolito, el ion de oxígeno se transporta a la interfaz electrolito-ánodo debido al potencial de CC aplicado . En esta interfaz, el ion de oxígeno transfiere su carga al ánodo , se combina con otro átomo de oxígeno para formar oxígeno ( O 2) y se difunde fuera del ánodo. [1]
La reacción neta fue entonces 2 CO 22CO2 + O2 2. Gases inertes como el gas nitrógeno ( N 2) y el argón (Ar) no se separan de la alimentación, sino que se devuelven a la atmósfera con el monóxido de carbono (CO) y el CO no utilizado. 2. [1]
Experimento en Marte
MOXIE primera prueba de producción de oxígeno marciano el 20 de abril de 2021, gráfico
La primera producción de oxígeno se logró el 20 de abril de 2021 en el cráter Jezero , donde se produjeron 5,37 gramos (0,189 oz) de oxígeno, equivalente a lo que necesitaría un astronauta en Marte para respirar durante aproximadamente 10 minutos. [13] MOXIE fue diseñado para generar de forma segura hasta 10 g/h (0,35 oz/h) de oxígeno, [14] [4] con una producción teórica limitada a 12 gramos por hora (0,42 oz/h) de oxígeno debido a la capacidad limitada de la fuente de alimentación de vuelo de 4 amperios . [1] El oxígeno producido fue analizado y luego liberado nuevamente a la atmósfera. [15]
MOXIE se utilizó para aislar oxígeno otras nueve veces en el transcurso de aproximadamente dos años terrestres, o un año marciano, en tres etapas; la primera etapa investigará más a fondo la producción de oxígeno, la segunda para probar el instrumento en una variedad de momentos del día, estaciones y condiciones atmosféricas, y la tercera para producir oxígeno a diferentes temperaturas y alterar el modo de operación para investigar las diferencias en la producción. [4]
El 21 de abril de 2021, Jim Reuter, administrador asociado de STMD, explicó que el experimento estaba funcionando y que los resultados tenían múltiples usos, y afirmó: "Este es un primer paso fundamental para convertir el dióxido de carbono en oxígeno en Marte. MOXIE tiene más trabajo por hacer, pero los resultados de esta demostración tecnológica son muy prometedores a medida que avanzamos hacia nuestro objetivo de ver algún día humanos en Marte. El oxígeno no es solo lo que respiramos. El propulsor de cohetes depende del oxígeno, y los futuros exploradores dependerán de la producción de propulsor en Marte para realizar el viaje de regreso a casa". [13]
MOXIE había generado un total de 122 g (4,3 oz) de oxígeno, aproximadamente lo que un perro pequeño respira en 10 horas. En su máxima eficiencia, MOXIE pudo producir 12 gramos por hora (0,42 oz/h) de oxígeno, el doble de los objetivos originales de la NASA para el instrumento, con una pureza del 98 % o superior. En su decimosexta y última prueba, el 7 de agosto de 2023, el instrumento produjo 9,8 g (0,35 oz) de oxígeno. MOXIE completó con éxito todos sus requisitos técnicos y funcionó en una variedad de condiciones durante un año marciano completo, lo que permitió a los desarrolladores del instrumento aprender mucho sobre la tecnología. [16]
Trascendencia
La NASA afirma que si MOXIE funcionara de manera eficiente, podrían aterrizar en el planeta un instrumento basado en MOXIE aproximadamente 200 veces más grande, junto con una planta de energía capaz de generar 25-30 kilovatios (34-40 hp). [1] En el transcurso de aproximadamente un año terrestre, este sistema produciría oxígeno a una velocidad de al menos 2 kilogramos por hora (4,4 lb/h) [1] en apoyo de una misión humana en algún momento de la década de 2030. [17] [18] El oxígeno almacenado podría usarse para soporte vital, pero la necesidad principal es un oxidante para un vehículo de ascenso a Marte. [19] [20] Se proyectó, por ejemplo, que en una misión de cuatro astronautas en la superficie marciana durante un año, solo se usaría alrededor de 1 tonelada métrica de oxígeno para soporte vital durante todo el año, en comparación con aproximadamente 25 toneladas métricas de oxígeno para la propulsión fuera de la superficie de Marte para la misión de regreso. [13] El CO, un subproducto de la reacción, puede recolectarse y usarse como combustible de baja calidad [21] o reaccionar con agua para formar metano ( CH 4) para su uso como combustible primario. [22] [23] Como uso alternativo, un sistema de generación de oxígeno podría llenar un pequeño tanque de oxígeno como oxidante de combustible para apoyar una misión de retorno de muestras . [24] El oxígeno también podría combinarse con hidrógeno para formar agua. [4]
Especificaciones técnicas
Datos de la NASA (MARS 2020 Mission Perseverance Rover), [9] Ceramatec y OxEon Energy, [25] Laboratorio de Propulsión a Chorro de la NASA. [26]
Trabajo principal: Producir oxígeno a partir de la atmósfera de dióxido de carbono marciano.
Ubicación: Dentro del rover (frente, lado derecho)
Masa: 17,1 kilogramos
Peso: 37,7 lbf (168 N) en la Tierra, 14,14 lbf (62,9 N) en Marte
Potencia: 300 vatios
Volumen: 24 cm × 24 cm × 31 cm (9,4 pulgadas × 9,4 pulgadas × 12,2 pulgadas)
Tasa de producción de oxígeno: hasta 10 gramos (0,022 lb) por hora
Tiempo de operación: Aproximadamente una hora de producción de oxígeno ( O 2 ) por experimento, que se programará de forma intermitente durante la duración de la misión. [9]
MOXIE: Impulso de diseño operativo (SOXE):
Flujo de gas: colector interno para pureza de O2 y dP
Alimentación: CO2 seco en un rango de 30–80 g/h
Producto: O 2 puro al 99,6 % , colector interno
Estructural: Robusto para sobrevivir al lanzamiento, a los impactos y vibraciones de EDL y a los requisitos de carga de compresión.
Potencia: Altamente restringida
Masa: 1 kg máx.
Volumen: Rígidamente restringido
Operación: 20+ ciclos de 120 minutos
Rampas de calentamiento: 90 minutos (aprox. 515 °C/hora) desde temperatura ambiente (potencialmente -40 °C) hasta 800 °C.
Aplicación de calor: Calentadores solo en las placas de los extremos [25]
MOXIE: Impulsores del diseño de materiales:
Interconexiones (IC): Metalurgia de polvos (CFY, Plansee)
Sellos: Sellos de vidrio
Barras colectoras de corriente: varilla soldada / alambre soldado
Colectores de alimentación: Tubo de entrada/colector interno Pureza del O2
Electrolito: Zirconia estabilizada con escandia (ScSZ) [25]
MOXIE: Diseño celular:
Número de celdas: 10 (dispuestas en dos pilas de 5 celdas cada una)
Producción de oxígeno: 10 gramos por hora (>1 g/h por célula) [26]
Cada célula consta de:
Electrolito (circonita estabilizada con itrio (YSZ))
Cátodo
Ánodo
Conexión de células:
Aleación de alto contenido de cromo (CTE adaptado al electrolito cerámico)
Aproximadamente 100 mm × 50 mm × 2 mm (3,937 pulgadas × 1,969 pulgadas × 0,079 pulgadas)
Contiene colectores para corrientes de gas [26]
MOXIE: Sistema de suministro de gas (compresor scroll):
Tasa de compresión de la bomba de espiral: hasta aproximadamente 1 bar
RPM de la bomba de desplazamiento: baja velocidad (2000–4000 RPM)
Rendimiento: Gas de entrada: 83 g/h, P = 7 Torr , T = 20 °C, Pin = 120 W, Masa: c. 2 kg [26]
MOXIE: Objetivos:
Ciclos operativos: Los requisitos principales de la misión exigen la capacidad de operar un total de 20 ciclos: [27]
10 ciclos de verificación previa
10+ ciclos en Marte
Pruebas de calificación y verificación: Implica 60 ciclos operativos completos para demostrar la extensibilidad, lo que supone tres veces el número de ciclos planificados para la misión principal. [27]
Pureza del oxígeno: 99,6 %+ al final de su vida útil
Capacidad de temperatura: capaz de funcionar a una temperatura de prueba de -65 °C
Requisitos de compresión, impacto y vibración:
Soportar una fuerza de compresión de 8 kN
Resistencia (PF) + 3 niveles de dB para requisitos de vibraciones y golpes en vuelo [25]
Referencias
^ abcdefghi Hecht, M.; Hoffman, J.; Rapp, D.; McClean, J.; SooHoo, J.; Schaefer, R.; Aboobaker, A.; Mellstrom, J.; Hartvigsen, J.; Meyen, F.; Hinterman, E. (6 de enero de 2021). "Experimento ISRU de oxígeno en Marte (MOXIE)". Reseñas de ciencia espacial . 217 (1): 9. Código Bib : 2021SSRv..217....9H. doi :10.1007/s11214-020-00782-8. hdl : 1721.1/131816.2 . ISSN 1572-9672. S2CID 106398698.
^ Beutel, Allard (15 de abril de 2015). «La NASA anuncia la carga útil del rover Mars 2020 para explorar el planeta rojo». NASA . Archivado desde el original el 19 de febrero de 2021 . Consultado el 25 de febrero de 2021 .
^ "Dispositivo de la NASA extrae oxígeno respirable del aire enrarecido de Marte". The Irish Times . Archivado desde el original el 22 de abril de 2021. Consultado el 22 de abril de 2021 .
^ abcde Potter, Sean (21 de abril de 2021). «El rover Perseverance de la NASA extrae el primer oxígeno del planeta rojo». NASA . Archivado desde el original el 22 de abril de 2021 . Consultado el 22 de abril de 2021 .
^ Kaplan, David; Baird, R.; Flynn, Howard; Ratliff, James; Baraona, Cosmo; Jenkins, Phillip; Landis, Geoffrey; Scheiman, David; Johnson, Kenneth; Karlmann, Paul (2000). "Demostración de vuelo del precursor de producción de combustible in situ (MIP) en Marte en 2001: objetivos del proyecto y resultados de las pruebas de calificación". Conferencia y exposición Space 2000. Instituto Americano de Aeronáutica y Astronáutica. doi :10.2514/6.2000-5145.
^ Flavell, Waryn (15 de marzo de 2021). "Producir oxígeno en Marte no es un reto para este equipo de Johnson". Características del Centro Espacial Johnson de la NASA . Archivado desde el original el 22 de abril de 2021. Consultado el 22 de abril de 2021 .
^ "nasa". www.history.nasa.gov . Archivado desde el original el 14 de julio de 2019 . Consultado el 22 de abril de 2021 .
^ Colombano, Silvano (23 de septiembre de 2003). "Robosphere: ecologías robóticas autosostenibles como precursoras de la exploración planetaria humana". Conferencia y exposición AIAA Space 2003. doi : 10.2514/6.2003-6278. ISBN978-1-62410-103-8. Número de identificación del sujeto 17750706.
^ abc mars.nasa.gov. "Experimento de utilización de recursos in situ de oxígeno en Marte (MOXIE)". mars.nasa.gov . Archivado desde el original el 2021-02-27 . Consultado el 2021-02-25 .
^ "NASA TechPort – Mars OXygen ISRU Experiment Project". NASA TechPort . Administración Nacional de Aeronáutica y del Espacio. Archivado desde el original el 17 de octubre de 2020 . Consultado el 19 de noviembre de 2015 .
^ Brix, Lise (26 de abril de 2015). «Los científicos están intentando producir oxígeno en Marte». Science Nordic . Archivado desde el original el 30 de abril de 2015. Consultado el 15 de mayo de 2015 .
^ ab "Desarrollo revolucionario: el experimento ISRU de oxígeno en Marte (MOXIE)" (PDF) . Administración Nacional de Aeronáutica y del Espacio . Archivado (PDF) del original el 3 de diciembre de 2020 . Consultado el 22 de abril de 2021 .
^ abc Potter, Sean (21 de abril de 2021). «El rover Perseverance de la NASA extrae el primer oxígeno del planeta rojo». NASA . Archivado desde el original el 22 de abril de 2021 . Consultado el 23 de abril de 2021 .
^ "A bordo del rover Perseverance de la NASA, MOXIE crea oxígeno en Marte". Noticias del MIT | Instituto Tecnológico de Massachusetts . 21 de abril de 2021. Archivado desde el original el 21 de abril de 2021 . Consultado el 22 de abril de 2021 .
^ Cody, Sara (29 de julio de 2020). "Con Perseverance y un poco de MOXIE, el MIT va a Marte". MIT News . Instituto Tecnológico de Massachusetts . Consultado el 20 de mayo de 2021 .
^ mars.nasa.gov (6 de septiembre de 2023). «El experimento generador de oxígeno MOXIE de la NASA completa la misión a Marte». NASA Mars Exploration . Consultado el 7 de septiembre de 2023 .
^ El experimento Mars Oxygen ISRU (MOXIE) Archivado el 22 de diciembre de 2016 en Wayback Machine. PDF. Presentación: Misión e instrumentos MARS 2020". 6 de noviembre de 2014.
^ Maxey, Kyle (5 de agosto de 2014). "¿Se puede producir oxígeno en Marte? MOXIE lo descubrirá". Engineering.com . Archivado desde el original el 6 de noviembre de 2014. Consultado el 5 de noviembre de 2014 .
^ Thomson, Iain (31 de julio de 2014). «Mars rover 2020: generación de oxígeno y otros 6 experimentos asombrosos». The Register . Archivado desde el original el 6 de noviembre de 2014. Consultado el 5 de noviembre de 2014 .
^ Vivir de la tierra en la última frontera Archivado el 4 de noviembre de 2014 en Wayback Machine . NASA, 4 de noviembre de 2014.
^ Landis, Geoffrey A.; Linne, Diane L. (septiembre-octubre de 2001). "Vehículo cohete para Marte que utiliza propulsores in situ". Revista de naves espaciales y cohetes . 38 (5): 730–735. Código Bibliográfico :2001JSpRo..38..730L. doi :10.2514/2.3739.
^ Wall, Mike (1 de agosto de 2014). "Un vehículo explorador que genera oxígeno en Marte acercará la colonización". Space.com . Archivado desde el original el 4 de noviembre de 2014. Consultado el 5 de noviembre de 2014 .
^ "Generador cerámico de oxígeno para sistemas de electrólisis de dióxido de carbono | SBIR.gov". www.sbir.gov . Archivado desde el original el 2014-11-06 . Consultado el 2014-11-06 .
^ Landis, Geoffrey A.; Oleson, Steven R.; Packard, Thomas W.; Linne, Diane L.; Woytach, Jeffrey M.; Martini, Michael C.; Fittje, James E.; Gyekenyesi, John Z.; Colozza, Anthony J.; Fincannon, James; Bury, Kristen M.; Dominguez, Hector; Jones, Robert; Smith, David; Vento, Daniel (9–13 de enero de 2017). Estudio de diseño de un vehículo de ascenso a Marte para el retorno de muestras utilizando propulsor generado in situ . 10.º Simposio sobre la utilización de recursos espaciales. Grapevine, Texas. doi : 10.2514/6.2017-0424 .
^ abcd J. Hartvigsen, S. Elangovan, J. Elwell, D. Larsen, L. Clark, E. Mitchel, B. MilletCeramatec, Inc/OxEonEnergy. Desarrollo y calificación de vuelo de una pila de electrólisis de CO2 de óxido sólido para el proyecto MOXIE de Mars2020
^ abcd Aboobaker, Asad (18 de septiembre de 2017). «MOXIE: Generando oxígeno en Marte» (PDF) . Laboratorio de Propulsión a Chorro de la NASA . Instituto Tecnológico de California . Consultado el 5 de mayo de 2021 .
^ ab Hartvigsen, Joseph; Elangovan, S.; Frost, Lyman (8 de julio de 2018). MOXIE Perspectivas impulsadas por el desarrollo para la revitalización de la atmósfera y la ISRU (PDF) . 48.ª Conferencia Internacional sobre Sistemas Ambientales.
