El objetivo de MOXIE era producir oxígeno con al menos un 98% de pureza 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 un rango de tiempos. del día, incluso de noche, y en la mayoría de las condiciones ambientales, incluso durante una tormenta de polvo . [1]
Desarrollo
MOXIE se basa en un experimento anterior, el Precursor de producción de propulsor in situ (MIP) de Marte, que fue diseñado y construido para volar en la misión Mars Surveyor 2001 Lander . [5] MIP tenía como objetivo demostrar la producción de propulsores in situ (ISPP) a escala de laboratorio utilizando electrólisis de dióxido de carbono para producir oxígeno. [6] La demostración de vuelo MIP se pospuso cuando la misión del módulo de aterrizaje Mars Surveyor 2001 fue cancelada después del fracaso de la misión Mars Polar Lander . [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 circona 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 intercala entre dos electrodos porosos . CO 2se difunde a través del electrodo poroso ( cátodo ) y alcanza las proximidades del límite electrodo-electrolito. Mediante una combinación de disociación térmica y electrocatálisis, se libera un átomo de oxígeno del CO. 2molécula y toma 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 ión de oxígeno se transporta a la interfaz electrolito-ánodo debido al potencial de CC aplicado . En esta interfaz, el ion 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, por tanto, 2 CO 22CO + O 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 de marte
MOXIE primera prueba de producción de oxígeno marciano el 20 de abril de 2021, gráfico
La producción de oxígeno se logró por primera vez el 20 de abril de 2021 en el cráter Jezero , produciendo 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 se analizó y luego se liberó nuevamente a la atmósfera. [15]
MOXIE se utilizó para aislar oxígeno nueve veces más 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 probará el instrumento en una variedad de momentos del día, estaciones y condiciones atmosféricas, y la tercera producirá oxígeno a diferentes temperaturas y alterará el modo de operación para investigar las diferencias en 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 muchos 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 de tecnología son muy prometedores a medida que avanzamos hacia nuestro objetivo de algún día ver humanos en Marte. El oxígeno no es solo lo que respiramos. El propulsor de los cohetes depende del oxígeno, y los futuros exploradores dependerán de su producción. en Marte para hacer el viaje a casa". [13]
MOXIE había generado un total de 122 g (4,3 oz) de oxígeno, aproximadamente lo que respira un perro pequeño en 10 horas. En su forma más eficiente, MOXIE fue capaz de producir 12 gramos por hora (0,42 oz/h) de oxígeno (el doble que los objetivos originales de la NASA para el instrumento) con una pureza del 98 % o mejor. En su decimosexta y última ejecución, 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 todo un año en Marte, lo que permitió a los desarrolladores del instrumento aprender mucho sobre la tecnología. [dieciséis]
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 entre 25 y 30 kilovatios (34 y 40 hp). [1] En el transcurso de aproximadamente un año terrestre, este sistema produciría oxígeno a un ritmo 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 como 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, sólo se utilizaría aproximadamente 1 tonelada métrica de oxígeno para soporte vital durante todo el año, en comparación con aproximadamente 25 toneladas métricas de oxígeno. 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 hacerse 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 respaldar 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: 9,4 x 9,4 x 12,2 pulgadas (24 cm x 24 cm x 31 cm)
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: Unidad de Diseño Operacional (SOXE):
Flujo de gas: Colector interno para pureza de O 2 y dP
Alimentación: CO 2 seco en un rango de 30 a 80 g/h
Producto: O 2 puro al 99,6% , colector interno
Estructural: Robusto para sobrevivir al lanzamiento, impacto y vibración EDL, requisitos de carga de compresión
Poder: Altamente restringido
Masa: 1 kg máx.
Volumen: rígidamente restringido
Operación: 20+ ciclos de 120 minutos
Rampas de calentamiento: 90 minutos (c. 515 °C/hora) desde la temperatura ambiente (potencialmente −40 °C) hasta 800 °C.
Aplicación de calor: Calentadores en placas terminales únicamente [25]
Electrolito: circonio estabilizado con escandia (ScSZ) [25]
MOXIE: Diseño de celda:
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 celda consta de:
Electrolito (circonia estabilizada con itria (YSZ))
Cátodo
Ánodo
Conexión de celdas:
Aleación con alto contenido de cromo (CTE combinado con electrolito cerámico)
Aproximadamente 100 mm × 50 mm × 2 mm (3,937 pulg. × 1,969 pulg. × 0,079 pulg.)
Contiene colector para corrientes de gas [26]
MOXIE: Sistema de suministro de gas (compresor scroll):
Tasa de compresión de la bomba de desplazamiento: 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 kilos [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
Más de 10 ciclos en Marte
Pruebas de calificación y verificación: implica 60 ciclos operativos completos para probar la extensibilidad, que es 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 operar a una temperatura de prueba de -65 °C
Requisitos de compresión, impacto y vibración:
Soporta una fuerza de compresión de 8 kN
Resistencia (PF) + niveles de 3 dB para requisitos de vibraciones y golpes de vuelo [25]
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