Eksperyment Marsa tlen isru – Wikipédia

Test modułu Moxie w JPL ^{[[[ Pierwszy ]} .

Eksperyment Marsa tlenu ISRU , dosłownie „Doświadczenie użytkownika na miejscu Zasoby tlenowe Marsa ”lub Moxie ^{[[[ 3 ]} , jest instrumentem łazika Wytrwałość Miejsce wykazania wykonalności wytwarzania tlenu na Marsie przez elektrolizę tlenku stałego dwutlenku węgla z atmosfery marsjańskiej ^{[[[ 4 ]} W ramach misji marzec 2020. 20 kwietnia 2021 , Moxie wyprodukował łącznie 5,37 G tlen, wystarczający, aby astronauta normalnie oddychać przez dziesięć minut ^{[[[ 5 ]} . Jest to pierwsza implementacja koncepcji wykorzystania zasobów na miejscu ( Czy ) na innej planecie niż ziemia. Proces ten może być umieszczony na skalę misji zamieszkałej w kierunku Marsa w celu zapewnienia oddychania tlenu, ale także w celu uzyskania palnego i palnego konstytutywnego konstytutywnego właściwych działań niezbędnych do powrotu na Ziemię; Woda można również uzyskać przez reakcję tlenu z wodorem.

Doświadczenie jest produktem współpracy między Instytut Technologii w Massachusetts (MIT), obserwatorium siana, Laboratorium Jet Propulsion (JPL, zarządzane przez Caltech w imieniu NASA) i inne instytucje.

Nazywany przez projektantów „The Wkygenator” w odniesieniu do filmu Sam w marcu Wydany w momencie rozwoju, Moxie ma na celu wytworzenie tlenu o czystości co najmniej 98% w tempie od 6 do 10 g/h Od dwutlenku węgla z marsjańskiej atmosfery, po scharakteryzowanie właściwości wytworzonych w ten sposób gazów i zbadanie wpływu warunków zewnętrznych na tę produkcję. Instrument ma na celu spełnienie tych wymagań dla co najmniej dziesięciu cykli operacyjnych, w większości marsjańskich warunków środowiskowych o każdej porze dnia, w tym burza piaskową ^{[[[ 3 ]} .

Moxie opiera się na wcześniejszym doświadczeniu, Mars in-situ Prekursor produkcji paliwa (MIP, „Pioneer Production na miejscu z propeler na Marsie ”), zaprojektowany i zbudowany do wyruszenia na misję Mars Surveyor 2001 Lander ^{[[[ 6 ]} . MIP miał na celu wykonanie produkcji właściwegogolu na miejscu (ISPP, Produkcja paliwa w miejscu ) w skali laboratorium przez elektrolizę dwutlenku węgla w celu wytworzenia tlenu ^{[[[ 7 ]} . Doświadczenie MIP zostało przełożone z anulowaniem misji Mars Surveyor 2001 Lander Po niepowodzeniu Mars Polar Lander ^{[[[ 8 ] W [[[ 9 ]} .

Menedżer ( Główny śledczy ) de Moxie to Michael H. Hecht (W) L’Aservatory Haystack A Massachusetts Institute of Technology (MIT) ^{[[[ dziesięć ]} , wspomagany przez Jeffreya A. Hoffmana z Departamentu Aeronautyki i Astronautyki MIT i byłego astronauta. Kierownikiem projektu jest Jeff Mellstrom z Jet Propulsion Laboratory (JPL). Oprócz MIT i JPL, głównymi czynnikami są Oxeon Energy (wcześniej Ceramatec, spółka zależna Coorstek (W) ), specjalizujący się w zaawansowanej ceramice i kwadrat (W) , w sprężarkach i technologiach pompy do klimatyzacji. Wkłada także Imperial College London, Space Exploration Instruments LLC, Destiny Space Systems LLC, Niels-Bohr Institute of University of Copenhagen, State University of Arizona i Technical University of Dania ^{[[[ 11 ] W [[[ dwunasty ]} .

Moksy aspiruje, ściska i podgrzewa marsjańskie gazy atmosferyczne za pomocą filtra HEPA, spiralnej sprężarki i izolowanych termicznie elementów podgrzewanych ^{[[[ 3 ]} Następnie Clive Dwutlenek węgla CO _{2 en oxygène O2 et monoxyde de carbone CO par électrolyse à oxyde solide^[13] et enfin analyse les gaz obtenus pour en caractériser la composition et les propriétés. L’instrument a une masse totale de 17,1 kg et un encombrement de 23,9 × 23,9 × 30,9 cm^[10]. Il consomme une puissance totale de 320 W dont 35 % (110 W) sert à compresser l’atmosphère très ténue de Mars, 22 % (72 W) sert à chauffer l’électrolyseur, 21 % (67 W) alimente l’électronique de contrôle (essentiellement des convertisseurs DC/DC), 19 % (60 W) alimente l’électrolyseur lui-même et 3 % (9 W) alimente les sondes thermiques et capteurs associés^[14] ; le rover fonctionne normalement avec une puissance de 100 à 110 W, de sorte qu’aucun autre instrument ne peut fonctionner en même temps que MOXIE, dont un cycle complet d’expérience dure entre 2 et 4 heures pour une consommation d’énergie totale de 440 à 1 000 W h. L’instrument est revêtu d’une couche mince d’or pour limiter son rayonnement thermique à l’intérieur du rover en raison de sa température de fonctionnement élevée^[15].}

Przyjęcie i kompresja gazu atmosferycznego [[[ modyfikator |. Modyfikator i kod ]

Atmosfera Marsa ma standardowe ciśnienie 610 Następnie Jeśli 101 325 Następnie ), ze średnią temperaturą 210 K ( −63 ° C. ). Jego skład objętości wynosi 95% dwutlenku węgla CO _{2 , 2,6 % d’azote N2, 1,9 % d’argon Ar et divers autres gaz^[16]. Elle est en outre chargée d’une quantité variable de poussières continuellement soulevées dans l’atmosphère par des tourbillons et des tempêtes de poussières, dont les grains au niveau du sol ont un diamètre de l’ordre de 3 μm^[17], plus précisément compris entre 1,6 et 4 μm^{[18],[19],[20]}. Bien que l’atmosphère martienne soit en moyenne 167 fois moins dense que l’atmosphère terrestre, les grains de poussière y restent nombreux en suspension car ils ne s’agglomèrent pas sous l’effet de l’humidité, comme sur Terre, et ne tombent pas non plus dans une étendue d’eau qui les retient durablement^[21]. De surcroît, la pesanteur standard sur Mars n’est que de 3,72 m/s², soit à peine 38 % de celle de la Terre (9,81 m/s²), ce qui ralentit les processus de décantation par lesquels les grains tendent à sédimenter sur le sol ; les modèles prenant en compte les forces de van der Waals et électrostatiques indiquent que des particules de 3 μm de diamètre peuvent rester indéfiniment en suspension dans l’atmosphère martienne quelle que soit la vitesse du vent, tandis que des particules de 20 μm peuvent être soulevées par des vents de seulement 2 m/s, et être maintenues en suspension par des vents d’à peine 0,8 m/s^[22].}

Ciągła obecność pyłu w atmosferze marsjańskiej stanowi problem dla każdego zastosowania wymagającego ssania tych gazów przez filtr: akumulacja ziaren pyłu w filtrze może zablokować ssanie pod tak niskim ciśnieniem atmosferycznym, aby to było niezbędne przewidzieć System filtrów, które spadają tak mało, jak to możliwe w tym konkretnym środowisku. Filtr HEPA zachowany dla Moxie musi być w stanie działać bez znaczącej utraty aspiracji dla dziesięciu cykli zaplanowanych na rok Marsjański w ramach tego doświadczenia; Bardziej masywne przyszłe zastosowania wprowadzane do produkcji tlenu dla systemów podtrzymujących życie i do wypukłych silników modułów powrotu na ziemię prawdopodobnie wymagają regularnego utrzymania tego filtra, aby pozbyć się pyłu stopniowo gromadzonego na kursie operacyjnym ^{[[[ 23 ]} .

Poniżej filtra, odkurzone gazy są sprężane do około w przybliżeniu Pierwszy Pasek przez sprężarkę spiralną zachowaną ze względu na niezawodność – z minimum ruchomych części – i jego optymalną efektywnością energetyczną; Mimo to jego działanie wymaga mocy 110 W , lub więcej niż jedna trzecia zużycia energii Moxie ^{[[[ 14 ]} .

Produkcja tlenu przez elektrolizę tlenku stałego [[[ modyfikator |. Modyfikator i kod ]

Zasada elektrolizy stałej tlenku jest to, że w wystarczająco wysokiej temperaturze niektóre tlenki ceramiczne, takie jak cyrniklowane tlenkiem itrium ( Ys ) lub nawet dyrektor generalny tlenku ceru (IV) _{2 dopé, deviennent sélectivement conducteurs d’anions oxyde O^2−[13] à l’exclusion de tout autre ion et tout en demeurant isolants électriques. Ceci permet de concevoir des systèmes fonctionnant à l’inverse des piles à combustibles afin par exemple de produire de l’hydrogène par électrolyse de l’eau ou, comme ici, de produire de l’oxygène par électrolyse du dioxyde de carbone.}

W przypadku moxy wymagana temperatura robocza wynosi 800 ° C. ^{[[[ 5 ]} , bardzo wysoka temperatura dla urządzenia osadzonego na Marsian Rover z ograniczonym źródłem energii. Każda komórka elektrolizy składa się z płytki zro zro _{2 stabilisée à l’oxyde de scandium Sc2O3 (ScSZ) formant l’électrolyte solide avec, sur chaque face, une électrode poreuse déposée par impression : côté CO2, une cathode catalytique en cermet à dispersion de nickel (le cuivre avait été envisagé pour éviter les dépôts de carbone par cokage^[24]), et, côté O2, une anode en pérovskite de nature non communiquée mais résolvant le problème du délaminage observé avec les anodes en manganite de lanthane dopé au strontium (LSM) La1−xSrxMnO3 ; des interconnexions en alliage Cr-Fe-Y2O3, dit CFY ou C-I-Y, dont la composition est ajustée pour que leur coefficient de dilatation thermique corresponde très étroitement à celui des cellules elles-mêmes, permettent de connecter les électrodes et de conditionner les cellules individuelles dans des unités hermétiquement closes formant une pile scellée avec du verre^[25]. Cette structure est soumise à des contraintes importantes du fait de son fonctionnement par cycles de deux à quatre heures espacés d’environ deux mois au repos, alternant phases de chauffage intense et phases de refroidissement jusqu’à la température du rover, d’où la nécessité de disposer de matériaux aux propriétés thermiques garantissant la stabilité de l’ensemble.}

Le CO _{2 diffuse à travers la cathode poreuse jusqu’à la limite avec l’électrolyte, au niveau de laquelle une combinaison de thermolyse et d’électrocatalyse sépare un atome d’oxygène du CO2 en acceptant deux électrons de la cathode pour former un anion oxyde O²⁻. Cet anion diffuse à travers l’électrolyte grâce aux lacunes d’oxygène introduites dans la zircone par le dopage au scandium et se propage jusqu’à l’anode sous l’effet de la tension électrique résultant du courant continu appliqué entre les deux électrodes. À l’interface avec l’anode, l’anion O²⁻ cède ses électrons à l’électrode pour redonner un atome d’oxygène neutre qui se combine avec un autre atome d’oxygène en formant une molécule de dioxygène O2, laquelle diffuse hors de l’anode. Cette structure est répétée dix fois en formant une pile qui constitue l’électrolyseur à oxyde solide SOXE de la sonde^[3].}

Dlatego reakcja netto 2 co _{2 ⟶ 2 CO + O2}. Gazy obojętne, takie jak azot n _{2 et l’argon Ar ne sont pas séparés de la charge, mais renvoyés dans l’atmosphère avec le monoxyde de carbone et le CO2 non utilisés^[3].}

Panel czujnika [[[ modyfikator |. Modyfikator i kod ]

Sondy pomiarowe i instrumenty są gromadzone w panelu czujnika znajdującego się z tyłu Moxie w kierunku kroku łazika. Ich misją jest monitorowanie właściwości gazów traktowanych przez Moxie, zarówno tych, którzy ssają atmosferę, jak i wytworzone przez moduł elektrolizy Sixxe oraz nadzorowanie warunków pracy różnych elementów stanowiących udział w tym doświadczeniu. To urządzenie umożliwia zakwalifikowanie i ilościowe ilościowe doświadczenia związane z produkcją tlenu, które mają miejsce w instrumencie. Zazwyczaj generuje od 1 do 2 Dla Dane na cykl, w średnim tempie 136 o/s ^{[[[ 14 ]} .

(W) Wykres pierwszego testu produkcji tlenu Marsja 20 kwietnia 2021 .

Pierwsza produkcja tlenu odbyła się w kraterie Jezero 20 kwietnia 2021 i umożliwiło wyprodukowanie 5.37 G tlen, który pozwoliłby astronaucie normalnie oddychać przez dziesięć minut ^{[[[ 5 ]} . Moxie jest zaprojektowany do regularnego produkcji 10 G tlen na godzinę ^{[[[ 28 ]} , z limitem technicznym na 12 g/h Ze względu na ograniczenie 4 A prąd dostępny dla tego instrumentu od generatora termoelektrycznego do pluton 238 ty łazik Wytrwałość ^{[[[ 3 ]} .

Oczekuje się, że Moxie będzie wytwarzać tlen przez dziesięć razy w ciągu całkowitego roku marsjańskiego. Doświadczenie obejmuje trzy etapy: pierwsze cele przede wszystkim scharakteryzujące parametry produkcji tlenu na Marsie za pomocą tego instrumentu; Drugi ma na celu przetestowanie Moxie w różnych warunkach atmosferycznych oraz w różnych godzinach i porach roku; Trzeci ma na celu wytwarzanie tlenu w różnych temperaturach poprzez modyfikację trybu pracy instrumentu w celu zbadania, w jaki sposób te parametry modyfikują produkcję ^{[[[ 5 ]} .

Według NASA, jeśli Moxie działa skutecznie, możliwe byłoby wylądowanie w przybliżeniu sprzętu 200 razy większa pochodna moxie i dostarczana z mocą elektryczną około 25 do 30 kW ^{[[[ 3 ]} . Przez ziemski rok system ten może wyprodukować co najmniej 2 kg tlen na godzinę dla zamieszkanych misji planowanych w latach 30. XX wieku ^{[[[ 29 ]} . W ten sposób wytwarzany tlen może być używany do systemów podtrzymywania życia, ale główną potrzebą jest kombinato ^{[[[ 30 ]} . Uważamy na przykład, że misja czterech astronautów na Marsie spożywałaby około tony tlenu przez rok ze względu ^{[[[ 5 ]} . Tlenek węgla, produkt uboczny reakcji, można również odzyskać i wykorzystać jako paliwo o niskiej wydajności ^{[[[ trzydziesty pierwszy ]} lub nawet przekształcić się w metan CH _{4 par réaction avec l’eau afin de produire un combustible plus performant^[32]. Autre possibilité, un système de génération d’oxygène pourrait remplir un petit réservoir en prévision d’une mission de retour d’échantillons martiens^[33], ou encore produire de l’eau par combustion avec l’hydrogène^[5].}