毅力号的 MOXIE 工具将火星空气转化为纯氧

前往火星至少会很困难。尽管近几十年来，人类太空飞行已成为近地空间的常态，但摆脱地球引力需要很大的火箭动力。而且离开火星这样的星球返回地球也需要很大的动力。

但 NASA、其他航天机构和私人公司已将目光投向了将人类送上火星——并让他们安全返回地球。因此，工程师和科学家正在努力研究如何制造足够的推进剂来实现这样的旅行。

氧气是火箭推进的重要成分，但在火星上很难获得。但火星上的一台原型机的结果表明，这种元素可以从空气中提取出来——这暗示着未来可以生产出用于火箭发射的氧气，但目前还不足以让人类直接呼吸火星空气。

美国宇航局艾姆斯研究中心的行星科学家卡罗尔·斯托克 (Carol Stoker) 并未参与该项目，他用科学术语表示“现场”，并表示：“设计一项不使用现场资源的载人火星任务真的很困难，甚至是不可能的。”

现在，搭载在毅力号火星车上的一个饭盒大小的设备打开了利用火星资源生产推进剂的大门。火星氧气原位资源利用实验 (MOXIE) 已成功在红色星球上生产出氧气。

根据周三发表在《科学进展》杂志上的一份报告，从毅力号于 2021 年 2 月着陆到当年年底，MOXIE 在七次运行中产生了约 50 克氧气。MOXIE 副首席研究员、麻省理工学院航空航天学教授杰弗里·霍夫曼表示，MOXIE 将继续在各种条件下进行实验，直到 2022 年。

根据大气条件，该装置每小时可生产 6 至 10 克。霍夫曼说，该装置将生产速度设定在 8 月底，因为那时火星大气最稠密。

霍夫曼表示，MOXIE 的目的是“验证该过程在火星上是否有效。我想说，我们正在朝着这个方向努力。”

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MOXIE 利用火星大气中的分子来制造氧气。但这并不是简单的提取。火星大气中 95% 的成分是二氧化碳（地球大气中大部分成分是氮气，还有相当一部分氧气）。MOXIE 必须将二氧化碳分子分解成一氧化碳和氧气。

首先，MOXIE 通过 HEPA 过滤器吸入空气，从而将火星尘埃排除在外。然后，火星空气通过压缩机，因为正如霍夫曼所解释的那样，火星空气的密度不足以进行氧气生产过程。该设备压缩火星空气，显著增加其密度：从比地球大气稀薄 100 倍到大约稀薄一半。

然后，二氧化碳被加热到约 1,500° F (800°C)。加热后，就到了主要环节：通过电解装置，该装置使用电力来驱动化学反应。在那里，二氧化碳遇到镍等催化剂，导致二氧化碳分子分解成一氧化碳 (CO) 和氧离子。然后，电力被用来将氧离子通过过滤器拉到另一个腔室，在那里它们结合成氧分子。结果是纯氧，可用于呼吸或用于火箭。

“MOXIE 的优点在于，从氧气的角度来看，你所需要的只是大气，”霍夫曼说。“所以无论你在哪里，你都可以去任何你想去的地方，而且你有大气。”

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MOXIE 在火星的夜晚、白天和多个季节（甚至冬季）都在产生氧气。在火星两极最冷的月份，大气密度会降低，因为二氧化碳会以冰的形式沉积在极地表面。科罗拉多大学博尔德分校大气与空间物理实验室的研究科学家玛格丽特·兰迪斯解释说，这意味着 MOXIE 每六个月可用的二氧化碳就会减少。尽管如此，在火星大气变薄的那些时候，它每小时仍能产生约 6 克氧气。

“MOXIE 可以在火星的任何时间运行，”霍夫曼说。“如果我们进行更多次运行，我们将尝试在条件变化迅速的黎明和黄昏运行它，我们可以证明 MOXIE 可以适应这些变化的条件。”

然而，每小时 6 到 10 克的氧气量不足以满足人类火星任务的需要。霍夫曼说，普通人每天呼吸的氧气量略少于 1 公斤，而火箭对氧气的需求更大。需要数十吨甚至数百吨的氧气来为将人类从火星表面发射出去的火箭提供动力。但这些氧气可以随着时间的推移而积累。霍夫曼说，MOXIE 类系统的全尺寸版本需要每小时生产 2 到 3 公斤的氧气，才有可能积累足够的液氧用于火箭发射系统。

他说，工程师们已经有了这种大型设备的原型。由于 MOXIE 必须搭乘毅力号火星车，因此其体积很小，但未来的任务可能会单独将一个更大的类似 MOXIE 的设备送往火星。霍夫曼说，这种设备可能还具有更多功能，比如可能能够将一氧化碳产品转化为有用的东西。

能够生产氧气并不意味着火星发射火箭已经准备就绪。NASA 的斯托克说，氧气只是火箭发射方程式的一部分。它提供了燃烧反应的一半——氧化剂——但火箭仍然需要其他成分作为燃料。但她补充说，氧气可以提供推进火箭所需质量的四分之三以上，这大大减少了从地球携带到火星的物品数量。

兰迪斯表示，随着类似 MOXIE 的技术规模扩大，值得考虑这一过程可能对火星产生的环境影响。“这值得思考，因为二氧化碳是火星大气的主要成分，在其季节循环中起着非常重要的作用，”她说。“如果你开始改变地表和大气二氧化碳之间的平衡，以及气体类型，关于会发生什么的确切影响，还有很多东西需要了解。”

“有时确实感觉自己生活在科幻小说的未来，”兰迪斯说。“这证明了我们在火星上能做多少事情。”