Для большинства космических операций идеально подходит утверждение «Что уходит наверх, наверху и остается». Всего лишь 10 лет назад большинство систем и устройств, отправленные с Земли в космос, включая орбиту (кроме МКС) и другие планеты, никогда не возвращались. Конечно, космический мусор частенько сходит с орбиты и сгорает в атмосфере Земли, но полноценным возвращением это назвать сложно.

Сейчас появились многоразовые ракеты, одна из космических экспедиций завершилась сбором образцов астероида с возвратом их на Землю. Но все же этот принцип остается актуальным и в наше время. И если жители Земли могут с ним смириться, то для будущей миссии с высадкой людей на Марсе этот принцип не подходит абсолютно. Причина проста: у людей должна быть возможность вернуться на Землю. Есть несколько вариантов обеспечить возвращение, но основная проблема — нехватка топлива. Идеальный вариант — производить топливо прямо там, на Красной планете. Марсоход «Настойчивость» и его модуль MOXIE помогут узнать, реален ли этот сценарий.

Не проще ли взять топливо с Земли? Нет, не проще. После высадки на Марс у колонистов/марсонавтов уже не останется топлива на дорогу домой, так что придется либо ждать доставки дополнительного груза, либо вырабатывать топливо самостоятельно. И сделать это можно лишь при условии добычи кислорода на Марсе. Задача «Настойчивости» — провести несколько тестов, чтобы доказать возможность производства топлива на Красной планете. Все это будет реализовано в рамках эксперимента MOXIE (Mars Oxygen ISRU Experiment).

Что это за эксперимент?

Это один из наиболее перспективных с точки зрения науки опытов, проводимых вне Земли. Да, внимание многих из нас привлекают испытания летающего дрона, которые вот-вот состоятся. Но все же с точки зрения науки более важным является MOXIE.


^{Модуль MOXIE — внешний вид}

Если все пройдет гладко, то ученым и инженерам НАСА удастся доказать возможность производства важнейшего вида ресурсов — топлива — вне нашей планеты. Горючее на Марсе ученые надеются начать производить при использовании компонентов, которые уже есть на Красной планете. В противном случае долгосрочные путешествия людей на другие планеты, включая Марс, могут оказаться невозможными или крайне маловероятными.

По предварительным расчетам для возвращения на Землю марсонавтам потребуется около 30 тонн жидкого кислорода.

Весь секрет эксперимента — в керамике

Если бы инопланетяне решили высадиться на Земле и попробовать обнаружить кислород, им бы это удалось без всякого труда. В атмосфере Земли около 21% этого элемента, так что для его обнаружения нужно лишь простейшее научное оборудование. Кислород можно извлечь из воды при помощи электролиза — в этом случае оборудование еще более простое.


Но вот с Марсом дело другое. Если удастся найти запасы льда или воды (данные некоторых исследований позволяют говорить о том, что льда там навалом, но это еще предстоит доказать), то остальное — дело техники, топливо можно будет производить. С марсианской водой пока все сложно.

Поэтому ученые надеются наладить процесс извлечения кислорода из атмосферы Марса. 95% его атмосферы — это углекислый газ. MOXIE поможет проверить возможность извлечения кислорода из атмосферы при помощи твердооксидного электролиза. Расщеплять будут как раз углекислый газ, с производными реакции в виде кислорода и угарного газа (монооксид углерода).


Принцип здесь тот же, что и в обычном электролизе — разложение химических соединений на отдельные элементы при помощи электричества. Но есть здесь очень важный компонент — керамические элементы в ячейках твердооксидного электролизера. Ячейки состоят из оксида циркония, стабилизированного небольшим количеством скандия. Этот материал известен как ScSZ. Он позволяет проводить электролиз, обладая такими качествами, как термостойкость, высокая прочность, легкий вес.

Цикл производства кислорода начинается с работы воздушного компрессора и противопылевых фильтров. В MOXIE используется компрессор спирального типа, в котором два спиральных элемента соединены в единую систему. Задача компрессора — увеличивать давление в модуле до земного. Это непросто, поскольку атмосфера Марса примерно в 100 раз более разреженная, чем земная.


^{Компрессор для MOXIE}

Важный нюанс — для электролиза твердых оксидов требуются высокие температуры порядка 800°C. Сжатый до плотности земной атмосферы газ проходит через серию напечатанных на 3D-принтере теплообменников. Высокая температура достигается благодаря электричеству — чему же еще. И MOXIE потребляет энергии больше, чем вырабатывает РИТЭГ ровера за один сол. Соответственно, эксперимент настолько тщательно спланировали, насколько это возможно.

Действуй как дерево

Модуль его создатели иногда называют «искусственным деревом», поскольку идет поглощение углекислоты с производством кислорода. Но сам процесс не очень похож совсем не похож на то, что происходит в растениях в результате фотосинтеза.

Нагретый до высокой температуры газ, который на 98% состоит из углекислого газа, попадает в ячейки SOXE. Каждая ячейка представляет собой «бутерброд» из пористых металлических электродов с каждой стороны пластин из ScSZ, действующих как твердый электролит. Через ячейку подается ток, в результате чего под действием катализатора выполняется реакция восстановления:


Затем ионы кислорода реагируют друг с другом в непосредственной близости от пористого анода следующим образом:


Датчики модуля оценивают качество и ход реакции. Производительность модуля составляет около 12 г/час при максимальной силе тока в 4А. По завершении реакции все ее производные возвращаются в атмосферу. Само устройство — proof of concept, его главная задача — доказать возможность производства кислорода на Марсе. Хранить же кислород сейчас нет смысла.

Если увеличить производительность модуля в 200 раз, то оно сможет генерировать как раз те самые 30 тонн кислорода, о которых говорилось в начале.

Модуль MOXIE — довольно простой, там нет ничего такого. Но в некоторых случаях могут проходить побочные реакции, в результате чего поры катода забиваются твердым углеродом. В этом — основная проблема, поскольку рядом нет оператора, который сможет почистить электроды и восстановить работоспособность модуля. Ну а в случае появления полномасштабного модуля рядом уже будут находиться люди. И они смогут обеспечить нормальную работу «большого MOXIE», поскольку от него будет зависеть их возвращение на Землю.