تجربة إنتاج الأكسجين على المريخ ISRU

تجربة استخدام موارد الأكسجين في الموقع (Mars Oxygen In-Situ Resource Utilization Experiment - MOXIE)[1] هي عرض تقني على متن مركبة ناسا "المريخ 2020" لاستكشاف إنتاج الأكسجين على المريخ.[2] في 20 أبريل 2021، أنتجت MOXIE الأكسجين من ثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي للمريخ باستخدام التحليل الكهربائي للأكسيد الصلب، وهو أول استخراج تجريبي لمورد طبيعي من كوكب آخر للاستخدام البشري.[1][3] قد يجرى في النهاية توسيع نطاق التكنولوجيا التي أظهرتها MOXIE لاستخدامها في مهمة بشرية لتوفير الأكسجين القابل للتنفس والمؤكسد والوقود والماء عن طريق الجمع بين الأكسجين المُنتَج والهيدروجين.[4]

الجهاز المستخدم لإنتاج الأكسجين

صُممت التجربة بالتعاون مع معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا (MIT)، ومرصد MIT Haystack، ومختبر الدفع النفاث التابع لناسا (JPL).

الأهداف

تتمثل أهداف MOXIE في التحضير للإستكشاف البشري مستقبلاً على سطح المريخ، من خلال استخدام الموارد الطبيعية المتاحة في الغلاف الجوي ومعالجتها بتحويل ثاني أكسيد الكربون إلى أكسجين صالح للإستخدام البشري. كمايهدف البرنامج إلى التحقق من كفاءة الجهاز التجريبي (MOXIE) كنقطة إنطلاقة للمستقبل، وإمكانية توسيع استخدام هذه التقنية بشكل أكبر مستقبلاً.[5]

ويُمكن تلخيص أهداف الجهاز التجريبي (MOXIE) إلى ثلاثة أهداف

1- إنتاج أكسجين صالح للإستخدام البشري بنسبة نقاء لاتقل عن 98%.

2- إنتاج أكسجين بمعدل 6- 10 جرام في الساعة (0.21 – 0.35 أونصة في الساعة).

3- القدرة على تلبية تلك المتطلبات لعشر مرات على الأقل في جميع أوقات اليوم ومُختلف الظروف البيئية والمناخية بما في ذلك العواصف الترابية.[6]

التطوير
  • صورة عامة
  • الاختبار
  • التركيب

تعتمد MOXIE على تجربة سابقة، وهي تجربة إنتاج وقود الدفع للمريخ (MIP)، والتي جرى تصميمها وصنعها للطيران في مهمة Mars Surveyor 2001 Lander.[7] كان القصد من MIP إظهار إنتاج الوقود في الموقع (ISPP) على نطاق المختبر باستخدام التحليل الكهربائي لثاني أكسيد الكربون لإنتاج الأكسجين.[8] جرى تأجيل عرض رحلة MIP عندما أُلغيت مهمة الهبوط Mars Surveyor 2001 بعد فشل مهمة Mars Polar Lander.[9][10]

الباحث الرئيسي هو مايكل هشت من معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا (MIT) في Haystack Observatory.[11] نائب الباحث الرئيسي هو جيفري هوفمان من قسم الملاحة الجوية والفضائية بمعهد ماساتشوستس للتكنولوجيا. ومدير المشروع هو Jeff Mellstrom من معمل الدفع النفاث في ناسا (JPL). إلى جانب معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا ومختبر الدفع النفاث، فإن المساهمين الرئيسيين هم شركة OxEon Energy (شركة Ceramatec سابقًا) وشركة Air Squared. ومن بين المساهمين الآخرين إمبريال كوليدج لندن، وSpace Exploration Instruments LLC، وDestiny Space Systems LLC، ومعهد نيلز بور في جامعة كوبنهاغن، وجامعة ولاية أريزونا ، والجامعة التقنية في الدنمارك.[12][13]

المبدأ

تقوم تجربة MOXIE على أخذ عينة من الغلاف الجوي للمريخ وضغطها وتسخينها باستخدام مرشح HEPA وضاغط حلزوني وسخانات بجانب العزل،[1] ثم يقسم جزيئات ثاني اكسيد الكربون CO2 إلى O وCO باستخدام التحليل الكهربائي للأكسيد الصلب، حيث تتحد ذرات O لتشكيل الأكسجين الغازي، O2.[14] تتطلب عملية التحويل درجة حرارة تقارب 800 درجة مئوية.[4] تعمل خلية التحليل الكهربائي للأكسيد الصلب على مبدأ أنه، في درجات حرارة مرتفعة، بعض أكاسيد السيراميك، مثل الزركونيا المستقرة بواسطة الإيتريا (YSZ) والسيريا المخدرة، تصبح موصلات أيون أكسيد (O 2–). يجري وضع قرص رفيع غير مسامي من YSZ (إلكتروليت صلب) بين قطبين مساميين.يُنشر CO 2 من خلال القطب المسامي (الكاثود) ويصل على مقربة من حدود القطب مع الإلكتروليت. من خلال مزيج من التفكك الحراري والتحفيز الكهربائي، تتحرر ذرة الأكسجين من جزيء CO2 وتلتقط إلكترونين من الكاثود ليصبحا أكسيد أيون (O 2–). وينتقل أيون الأوكسجين عبر شواغر أيون الأكسجين في الشبكة البلورية للإلكتروليت، يجري نقل أيون الأكسجين إلى حدود الأنود مع الإلكتروليت بسبب تطبيق جهد مستمرDC. في هذه المنطقة، ينقل أيون الأكسجين شحنته إلى الأنود، ويتحد مع ذرة أكسجين أخرى لتكوين الأكسجين (O 2)، وينتشر خارج الأنود. وبالتالي فإن صافي التفاعل هو
2CO2 2CO + O2.
لا يجري فصل الغازات الخاملة مثل N2 والآرجون، لكنها تعود إلى الغلاف الجوي مع أول أكسيد الكربون (CO) وثاني أكسيد الكربون غير المستخدم.

تجربة المريخ
MOXIE أول اختبار لإنتاج الأكسجين المريخي في 20 أبريل 2021 الرسم البياني

جرى تحقيق إنتاج الأكسجين في 20 أبريل 2021، أو في الصباح الباكر في اليوم المريخي 60 في فوهة جيزيرو، حيث أُنتج 5.37 جرامًا من الأكسجين في ساعة واحدة، وهو ما يعادل ما يحتاجه رائد الفضاء في المريخ للتنفس لمدة 10 دقائق تقريبًا. صُممت تجربة MOXIE لتوليد ما يصل إلى 10 جرامات من الأكسجين بأمان في الساعة،[15][16] في حين أن الإنتاج النظري يقتصر على 12 جرامًا من الأكسجين في الساعة بسبب القدرة المحدودة لإمدادات الطاقة 4 أمبير.[17]

خُططت تجربة MOXIE لاستخراج الأكسجين تسع مرات أخرى على مدار ما يقرب من عامين أرضيين، أو سنة مريخية واحدة، على ثلاث مراحل ؛ ستعمل المرحلة الأولى على مزيد من التحقيق في إنتاج الأكسجين، والثانية لاختبار التجربة في أوقات مختلفة من اليوم والفصول والظروف الجوية، والثالثة لإنتاج الأكسجين في درجات حرارة مختلفة وتغيير طريقة التشغيل للتحقق من الاختلافات في الإنتاج.

دلالات التجربة

صرح مسؤولو ناسا أنه إذا جرت تجربة MOXIE بكفاءة، فيمكنهم إرسال جهاز إلى المريخ يعتمد على تلك التجربة لكنه أكبر بمقدار 200 مرة، إلى جانب محطة طاقة قادرة على توليد 25-30 كيلوواط. على مدار عام أرضي واحد تقريبًا، سيُنتج هذا النظام ما لا يقل عن كيلوجرامين من الأكسجين في الساعة لدعم مهمة بشرية في وقت ما في ثلاثينيات القرن الحالي.[18][19] يمكن استخدام الأكسجين المُخزن للتنفس، ولكن الحاجة الأساسية هي استخدامه عاملًا مؤكسدًا في مركبة صعود المريخ (MAV).[20][21] يمكن أيضًا جمع ثاني أكسيد الكربون، وهو منتج ثانوي للتفاعل، واستخدامه كوقود منخفض الدرجة[22] أو يتفاعل مع الماء لتكوين الميثان (CH4) لاستخدامه كوقود أساسي.[23][24] وهناك استخدام بديل، حيث يمكن لنظام توليد الأكسجين أن يملأ خزان أكسجين صغير لدعم مهمة عودة العينة. إذا جرى دمج الأكسجين المنتج مع الهيدروجين، فيمكن أيضًا تكوين الماء.

المراجع
  1. Hecht, M.؛ Hoffman, J.؛ Rapp, D.؛ McClean, J.؛ SooHoo, J.؛ Schaefer, R.؛ Aboobaker, A.؛ Mellstrom, J.؛ Hartvigsen, J. (06 يناير 2021)، "Mars Oxygen ISRU Experiment (MOXIE)"، Space Science Reviews (باللغة الإنجليزية)، 217 (1): 9، doi:10.1007/s11214-020-00782-8، ISSN 1572-9672، مؤرشف من الأصل في 24 أبريل 2021.
  2. Beutel, Allard (15 أبريل 2015)، "NASA Announces Mars 2020 Rover Payload to Explore the Red Planet"، NASA، مؤرشف من الأصل في 23 أبريل 2021، اطلع عليه بتاريخ 25 فبراير 2021.
  3. "Nasa device extracts breathable oxygen from thin Martian air"، The Irish Times (باللغة الإنجليزية)، مؤرشف من الأصل في 23 أبريل 2021، اطلع عليه بتاريخ 22 أبريل 2021.
  4. Potter, Sean (21 أبريل 2021)، "NASA's Perseverance Mars Rover Extracts First Oxygen from Red Planet"، NASA، مؤرشف من الأصل في 23 أبريل 2021، اطلع عليه بتاريخ 22 أبريل 2021.
  5. Mars Oxygen ISRU Experiment (MOXIE) - NASA/ADS نسخة محفوظة 2021-04-24 على موقع واي باك مشين.
  6. Mars Oxygen ISRU Experiment (MOXIE) | SpringerLink نسخة محفوظة 2021-04-24 على موقع واي باك مشين.
  7. Kaplan, David؛ Baird, R.؛ Flynn, Howard؛ Ratliff, James؛ Baraona, Cosmo؛ Jenkins, Phillip؛ Landis, Geoffrey؛ Scheiman, David؛ Johnson, Kenneth (2000)، "The 2001 Mars In-situ-propellant-production Precursor (MIP) Flight Demonstration - Project objectives and qualification test results"، Space 2000 Conference and Exposition، doi:10.2514/6.2000-5145.
  8. Flavell, Waryn (15 مارس 2021)، "Making Oxygen on Mars is No Match for This Johnson Team"، NASA Johnson Space Center Features، مؤرشف من الأصل في 23 أبريل 2021، اطلع عليه بتاريخ 22 أبريل 2021.
  9. "nasa"، www.history.nasa.gov، مؤرشف من الأصل في 14 يوليو 2019، اطلع عليه بتاريخ 22 أبريل 2021.
  10. Colombano, Silvano P.، "American Institute of Aeronautics and Astronautics 1ROBOSPHERE: SELF-SUSTAINING ROBOTIC ECOLOGIES AS PRECURSORS TO HUMAN PLANETARY EXPLORATION"، www.history.nasa.gov، مؤرشف من الأصل في 23 أبريل 2021، اطلع عليه بتاريخ 22 أبريل 2021.
  11. mars.nasa.gov، "Mars Oxygen In-Situ Resource Utilization Experiment (MOXIE)"، mars.nasa.gov (باللغة الإنجليزية)، مؤرشف من الأصل في 22 أبريل 2021، اطلع عليه بتاريخ 25 فبراير 2021.
  12. "NASA TechPort -- Mars OXygen ISRU Experiment Project"، NASA TechPort، National Aeronautics and Space Administration، مؤرشف من الأصل في 24 مارس 2021، اطلع عليه بتاريخ 19 نوفمبر 2015.
  13. Brix, Lise (26 أبريل 2015)، "Scientists are trying to brew oxygen on Mars"، Science Nordic، مؤرشف من الأصل في 11 ديسمبر 2020، اطلع عليه بتاريخ 15 مايو 2015.
  14. "Game Changing Development The Mars Oxygen ISRU Experiment (MOXIE)" (PDF)، ناسا، مؤرشف من الأصل (PDF) في 3 ديسمبر 2020، اطلع عليه بتاريخ 22 أبريل 2021.
  15. "Aboard NASA's Perseverance rover, MOXIE creates oxygen on Mars"، MIT News | Massachusetts Institute of Technology (باللغة الإنجليزية)، مؤرشف من الأصل في 21 أبريل 2021، اطلع عليه بتاريخ 22 أبريل 2021.
  16. Potter, Sean (21 أبريل 2021)، "NASA's Perseverance Mars Rover Extracts First Oxygen from Red Planet"، NASA، مؤرشف من الأصل في 23 أبريل 2021، اطلع عليه بتاريخ 22 أبريل 2021.
  17. Hecht, M.؛ Hoffman, J.؛ Rapp, D.؛ McClean, J.؛ SooHoo, J.؛ Schaefer, R.؛ Aboobaker, A.؛ Mellstrom, J.؛ Hartvigsen, J. (06 يناير 2021)، "Mars Oxygen ISRU Experiment (MOXIE)"، Space Science Reviews (باللغة الإنجليزية)، 217 (1): 9، doi:10.1007/s11214-020-00782-8، ISSN 1572-9672، مؤرشف من الأصل في 24 أبريل 2021.
  18. The Mars Oxygen ISRU Experiment (MOXIE) PDF. Presentation: MARS 2020 Mission and Instruments". November 6, 2014. نسخة محفوظة 9 يوليو 2020 على موقع واي باك مشين.
  19. Maxey, Kyle (5 أغسطس 2014)، "Can Oxygen Be Produced on Mars? MOXIE Will Find Out"، Engineering.com، مؤرشف من الأصل في 12 أغسطس 2018، اطلع عليه بتاريخ 05 نوفمبر 2014.
  20. Thomson, Iain (31 يوليو 2014)، "Mars rover 2020: Oxygen generation and 6 more amazing experiments"، السجل، مؤرشف من الأصل في 11 نوفمبر 2020، اطلع عليه بتاريخ 05 نوفمبر 2014.
  21. Living off the Land in the Final Frontier نسخة محفوظة 2014-11-04 على موقع واي باك مشين.. NASA, 4th November 2014.
  22. Landis, Geoffrey A.؛ Linne, Diane L. (سبتمبر–أكتوبر 2001)، "Mars Rocket Vehicle Using In Situ Propellants"، Journal of Spacecraft and Rockets، 38 (5): 730–735، Bibcode:2001JSpRo..38..730L، doi:10.2514/2.3739.
  23. Wall, Mike (1 أغسطس 2014)، "Oxygen-Generating Mars Rover to Bring Colonization Closer"، Space.com، مؤرشف من الأصل في 23 أبريل 2021، اطلع عليه بتاريخ 05 نوفمبر 2014.
  24. Ceramic Oxygen Generator for Carbon Dioxide Electrolysis Systems نسخة محفوظة 23 أبريل 2021 على موقع واي باك مشين.
  • بوابة علم المواد
  • بوابة الكيمياء
  • بوابة المريخ
  • بوابة الفضاء
  • بوابة المجموعة الشمسية
  • بوابة عقد 2020

روابط خارجية
This article is issued from Wikipedia. The text is licensed under Creative Commons - Attribution - Sharealike. Additional terms may apply for the media files.