Миссия NASA Perseverance продолжает вершить историю. Вслед за первым управляемым полётом вертолёта Ingenuity инженеры агентства испытали «механическое дерево» MOXIE, с помощью которого марсоход Perseverance впервые добыл кислород из марсианской атмосферы.

В настоящее время Марс крайне недружелюбен к гостям: запасы воды весьма ограничены и содержатся в ледяных шапках либо в почве на значительной глубине, тонкая атмосфера совершенно не защищает планету от космической радиации и пронизывающего холода, а воздух абсолютно не подходит для дыхания. Кислород – важнейший ресурс для поддержания жизни, однако в марсианской атмосфере его содержание не превышает 0,2%.

Среднестатистическому взрослому человеку требуется не менее 16 литров кислорода в час. Можете себе представить, какое количество газа потребовалось бы целому экипажу космического корабля для долгого пути к Марсу, пребывания на красной планете в течении некоторого времени и успешного возвращения на Землю. В подобных путешествиях полезная нагрузка судов весьма ограничена:, помимо кислорода, в пути потребуется немало другого важного для жизни и исследований багажа, не говоря уже о топливе. Проблему восполнения запаса кислорода учёные попытаются решить при помощи MOXIE. Название устройства MOXIE расшифровывается как Mars Oxygen In-Situ Resource Utilization Experiment. Эта экспериментальная технология является одним из главных элементов проекта по утилизации имеющихся на Марсе ресурсов.

MOXIE – плод сотрудничества экспертов из NASA и Массачусетского технологического института. На борту марсохода Perseverance находится прототип размером с автомобильный аккумулятор – он представляет собой многократно уменьшенную модель устройства, которое планируется отправить на Марс в 2030-х годах. В упрощённом понимании MOXIE представляет собой роботизированное дерево, которое поглощает углекислый газ, доминирующий в марсианской атмосфере. На первом этапе цепочка электрохимических реакций расщепляет молекулы газа на кислород и монооксид углерода, а затем объединяет атомы кислорода в молекулы O₂. Перед выпуском газов обратно в атмосферу робот анализирует чистоту кислорода, ориентируясь на показатель в 99,6%. В отличие от экспериментального робо-дерева, полноценное устройство будет закачивать очищенный кислород в цистерны для хранения и транспортировки.

По словам инженеров, нет необходимости переживать о токсичности производимого угарного газа. Моноокисд углерода возвращается в атмосферу, где спустя некоторое время образует углекислый газ, связываясь с остаточным кислородом. Таким образом угарный газ не станет препятствием для создания на Марсе искусственной биосферы, пригодной для жизни людей.

 Поскольку MOXIE – всего лишь пробный вариант робо-дерева, необходимый для экспериментальной проверки концепта в действии, он будет производить довольно малое количество кислорода. Если всё пойдёт по плану, каждый час он сможет выдавать около 10 граммов газа – примерно столько кислорода содержится в 40 литрах земного воздуха. На протяжении миссии марсохода Perseverance MOXIE должен будет осуществить 10 циклов синтезирования кислорода продолжительностью по несколько часов каждый. На текущем этапе развития данная технология потребляет слишком много энергии, потому роверу понадобится немало времени на восполнение расходованного заряда батарей. Все данные об эффективности устройства будут поступать в лаборатории МТИ для тщательного анализа.

Демонстрация технологии Mars Oxygen In-Situ Resource Utilization Experiment состоялась 20 апреля 2021 года, на 60-й сол (марсианские сутки) миссии Perseverance. В ходе первого запуска аппарат MOXIE произвёл скромные 5,37 грамма кислорода, которых хватило бы на 10 минут поддержания дыхания астронавта, занятого спокойной, не требующей особых физических усилий работой. Инженеры планируют продолжить тестирование прототипа, чтобы довести его производительность до предусмотренных 10 граммов кислорода в час. По словам помощника администратора Управления космических технологий (STMD) Джима Рейтера, успешный запуск аппарата MOXIE – важный шаг навстречу освоению Марса. Достаточный запас кислорода – одно из важнейших условий пребывания на красной планете. Более того, этот газ необходим не только людям: в кислороде нуждаются и ракеты, поскольку он нужен для горения топлива. Полезная нагрузка космических аппаратов, которым предстоит отправиться в столь далёкий от Земли путь, рассчитана до граммов, потому для обратного пути будущим исследователям Марса придётся производить топливо и кислород непосредственно на красной планете.

Хотя марсианская гравитация значительно слабее земной, для запуска ракеты с поверхности Марса всё равно необходимо значительное количество топлива. Например, чтобы поднять корабль с четырьмя астронавтами на борту, нужно примерно 7 тонн горючего. Согласно расчётам инженеров, для горения такого объёма топлива понадобится целых 25 тонн кислорода. Для сравнения, за год жизни на Марсе те же четыре астронавта израсходуют не более одной тонны кислорода на дыхание. Доставка 25 тонн кислорода с Земли на Марс – сложная и, по правде говоря, бессмысленная задача. Гораздо экономичнее и практичнее будет доставить на красную планету усовершенствованную однотонную версию MOXIE, которая сможет произвести нужное количество кислорода.

Атмосфера Марса на 96% состоит из углекислого газа. MOXIE работает за счёт расщепления молекулы диоксида углерода на атом кислорода и молекулы угарного газа. Этот процесс требует поддержания высокой температуры на уровне 800 °C. Для этого инженеры использовали в производстве аппарата термостойкие материалы, например, напечатанные на 3D-принтере элементы из никелевого сплава, которые подогревают или охлаждают проходящие через них газы, или лёгкий аэрогель, способный удерживать заданную температуру на протяжении длительного времени. Чтобы экстремальные температуры не вредили остальной аппаратуре марсохода Perseverance, снаружи MOXIE покрыт тонким слоем золота, которое сдерживает распространение инфракрасного излучения.

Тестирование технологии Mars Oxygen In-Situ Resource Utilization Experiment пройдёт в три этапа. В ходе первого этапа инженеры NASA оценят функционал «механического дерева» в условиях марсианской атмосферы. Далее специалисты планируют рассмотреть особенности работы аппарата в различных обстоятельствах: при смене погодных условий и сезонов. На третьем этапе исследователи испытают экспериментальные режимы работы, в том числе с имитацией экстремальных колебаний температуры.