MOXIE: И на Марсе будут яблони цвести

В перспективе человеческого рода — продолжать познавать мир и развиваться уже вне своей "космической колыбели" — планеты Земля. Одним из первых "опорных пунктов" нашей цивилизации среди звёзд с большой вероятностью станет далёкий пустынный Марс… Вот только на пути к Красной планете людей неизбежно поджидает одна небольшая проблема — под названием "кислород".

И дело не только в необходимости обеспечивать будущих марсианских колонистов ресурсом для дыхания (хотя и в этом тоже). Вопрос заключается ещё и в том, что огромные количества кислорода (в жидком состоянии) потребуются в качестве окислителя ракетного топлива, чтобы астронавты могли не только на Марсе подышать спокойно, но ещё и с планеты так же спокойно улететь. Причём для того, чтобы поднять космический корабль с поверхности Красной планеты, кислорода будет нужно в разы больше, чем для дыхания колонистов.

Согласно предварительным расчётам NASA, для взлёта с Марса четырёх астронавтов на семь тонн ракетного топлива потребуется 25 тонн кислорода для его сжигания, а вот для обеспечения дыхания колонистов в течение года работы на поверхности планеты им всем вместе будет нужна всего лишь одна тонна кислорода.

Доставить 26 тонн кислорода с Земли на Марс — задача непростая и затратная. Но что, если… Начать добывать кислород прямо на Марсе, так сказать, из подручных материалов?

А какие имеются подручные материалы? В основе своей марсианская атмосфера состоит из 96% углекислого газа (CO₂), и примерно по 2% в ней занимают азот (N₂) и аргон (Ar), не считая мизерных количеств угарного газа, кислорода и прочих соединений.

Генератор кислорода MOXIE

Расположение генератора кислорода MOXIE "на борту" марсохода "Perseverance".

Этим и воспользовались создатели генератора кислорода MOXIE, отправленного на Красную планету вместе с новым марсоходом NASA "Perseverance". К огромному успеху учёных, находящийся в избытке на Марсе углекислый газ оказался превосходным расходным материалом, из которого можно получить кислород. На основе переработки углекислого газа в кислород и основана работа нового прибора, название которого расшифровывается как "Mars Oxygen In-situ resource utilization Experiment", то есть "Марсианский кислородный эксперимент по использованию ресурсов на месте". Есть у аббревиатуры и скрытое значение: по-английски "moxie" значит "смелость", "ловкость", "практичность", "настойчивость". Кажется, все эти качества действительно необходимы, чтобы осваивать новый неизведанный мир и, что более важно, изменять его под себя!

Генератор кислорода MOXIE — несмотря на маленькие размеры, производит столько же кислорода, сколько маленькое земное дерево.

MOXIE успешно проработал на Красной планете в течение года, за этот период учёные запускали генератор семь раз. И вот в преддверии осени специалисты, ответственные за осуществление перспективного марсианского проекта, поделились впечатляющими результатами: в общей сложности прибор проработал 8,81 часа и за это время сгенерировал 50 граммов кислорода!

Вывод учёных обнадёживает: экспериментальная технология производства кислорода из углекислого газа жизнеспособна, эффективна и оправдывает ожидания.

Более того, её можно будет масштабировать, сделав на основе крошечной машинки MOXIE размером с тостер (23,9x23,9x30,9 см) и массой 17,1 кг уже по-настоящему огромную установку, которая вместо текущих шести-восьми граммов кислорода в час (пять граммов достаточно одному космонавту для дыхания в течение десяти минут) сможет производить два-три килограмма кислорода в час и полноценно обеспечивать кислородом астронавтов.

Механизм выработки кислорода

Каким же образом газ, создающий парниковый эффект и грозящий глобальным потеплением здесь, на Земле, удалось превратить в прямо противоположный, жизненно необходимый не только для человека, но и для большинства земных существ? Если вкратце, то с помощью электрохимического процесса под названием "твердотопливный электролиз". А если в деталях, то сейчас разберёмся поподробнее.

Сначала прибор в течение нескольких часов разогревается. Затем он поглощает воздух из марсианской атмосферы со скоростью 55 граммов в час. Поглощённая смесь газов очищается, проходя через HEPA-фильтр (учитывая, что эти фильтры активно используются для фильтрации воздуха от вирусов и бактерий, астронавты смогут не бояться не только пыли, но и возможных внеземных микроорганизмов). Затем очищенный воздух сжимается в специальном спиральном компрессоре, увеличивая давление смеси газов до земного (примерно одной атмосферы, или 101 325 Паскалей). Учитывая, что атмосфера Марса приблизительно в сто раз более разреженная, чем земная, это нелёгкая задача.

Под золотым покрытием: так выглядит MOXIE изнутри.

Дальнейший электрохимический процесс должен проходить при очень высоких температурах, поэтому далее очищенный и сжатый марсианский воздух пропускается через несколько теплообменников, где нагревается примерно до 800°C. Для такой жаркой (во всех смыслах) деятельности MOXIE должен быть устойчив к перегреванию — и не наносить ущерба остальным деталям марсохода, на котором он закреплён. Именно поэтому теплообменники прибора изготовлены из никелевого сплава (никель — тугоплавкий металл), в конструкции MOXIE использован лёгкий аэрогель, удерживающий тепло внутри генератора для успешного прохождения реакции, а снаружи устройство покрыто тонким слоем золота, который отражает инфракрасное (тепловое) излучение, не давая ему выходить из генератора наружу и причинять вред другим приборам марсохода.

Далее горячий воздух попадает на финальную точку своего путешествия — непосредственно устройство для электролиза, состоящее из десяти электролизных ячеек. Каждая ячейка состоит из трёх слоёв. По краям располагаются пористые металлические пластины — отрицательный и положительный электроды. Их разделяет пластина из твёрдого электролита — оксида циркония, стабилизированного небольшим количеством скандия, известного под названием ScSZ. Это соединение выгодно для производимой электрохимической реакции, так как устойчиво к высоким температурам, очень прочное и при этом мало весит.

В деталях: схема внутреннего строения MOXIE.

Итак, после обработки марсианский воздух подаётся на устройство для электролиза. Через электролизные ячейки подаётся ток, в результате чего в каждой из них на катоде (отрицательном электроде, который как бы "отдаёт" электроны) молекулы углекислого газа (CO₂), получив дополнительные электроны, преобразуются в угарный газ (CO) и ионы кислорода (O^2-). Происходящая реакция при этом выглядит так:

2CO₂+4e- è 2CO+2O^2-

Затем ионы кислорода перебираются к аноду (положительному электроду, который, в противоположность катоду, электроны "забирает") и, отдавая аноду излишек электронов, связываются в молекулы чистого кислорода — O₂. Языком формул говоря, происходит следующее:

2O₂- è O₂+4e-

Установка MOXIE для электролиза состоит из отдельных ячеек.

Таким образом, пропустив через MOXIE марсианский воздух, на 96% состоящий из углекислого газа, на выходе мы получаем желанный необходимый для полётов и выживания кислород, а в качестве побочного продукта — угарный газ. Плюс обратно в марсианскую атмосферу благополучно возвращаются непереработанные остатки углекислого газа и составляющие марсианского воздуха, не принимающие участия в электрохимической реакции. На выходе MOXIE анализирует скорость производства кислорода и его чистоту (минимальная обещанная чистота производимого кислорода составляет 98%).

Долговечность MOXIE

Об успехе и перспективах эксперимента уже поговорили… Стоит подумать о долговечности MOXIE и устройств, ему подобных. Опираясь на полученные за год данные, учёные отметили, что вначале скорость деградации материалов, из которых изготавливается ячейка для электролиза, растёт, но затем стабилизируется. В итоге, как утверждают специалисты, существующий прибор может сохранять первоначальную скорость выработки кислорода в течение как минимум 60 рабочих циклов, что, в общем-то, немало.

Что очень важно, MOXIE уже был успешно испытан в самых разных условиях марсианского климата: днём, ночью, при различных атмосферных показателях и в разные времена года.

Учитывая, что плотность марсианского воздуха может изменяться в два раза, а температура — на 100°C, это существенный факт. В планах специалистов — испытать генератор кислорода в жёстких условиях марсианской весны, когда плотность атмосферы Красной планеты и уровень в ней углекислого газа будут очень высоки.

Чтобы будущий (уже полномасштабный) генератор кислорода был ещё мощнее и стабильнее, чем его маленький экспериментальный предшественник, его планируют оснастить более совершенной системой управления и контроля параметров, заменить спиральный компрессор на лопастной (или даже целую насосную систему). Разумеется, режим работы полноценного генератора кислорода будет не как у MOXIE, прерывистый, а непрерывный. Для этого учёные планируют провести дополнительное исследование по износу генератора. Специалисты предполагают, что производимый "последователем" MOXIE кислород будет накачиваться в специальный резервуар для хранения и последующего потребления.

Озеленение Марса? С генераторами кислорода это уже не кажется неосуществимым.

История, начавшаяся с крошечного прибора размером с кухонный тостер, предвещает огромные перспективы. Ведь не только будущим марсианским колонистам нужен кислород, но и экипажам космических кораблей и работникам космических станций (благо углекислый газ, обильно выдыхаемый людьми, всегда и везде найдётся)… Да и с глобальным потеплением на планете Земля тоже что-то делать надо.

И вполне возможно, что однажды (даже если не очень скоро) в нашем мире наступит эпоха, когда не только на спасённой от климатической катастрофы Земле, но и "на Марсе будут яблони цвести".