Неслыханная дерзость: кислород из марсианского воздуха
Главное препятствие на пути к колонизации Марса кроется в его атмосфере. На Красной планете она состоит в основном из углекислого газа, в сто раз менее плотная, чем земная, и очень холодная. Однако многие проблемы будут по плечу будущим колонизаторам, если удастся на месте добывать пригодный для дыхания кислород. В NASA решили проверить, можно ли это сделать. О дерзком эксперименте, его целях и достижениях — в материале Pro Космос.
Волшебная коробка
Эксперимент MOXIE (Mars Oxygen In-Situ Resource Utilization Experiment) использует ресурсы Марса для получения кислорода. Это демонстратор технологии, установленный на ровере Perseverance, который с февраля 2021 года работает в марсианском кратере Езеро. Кстати, название эксперимента происходит от английского слова «дерзость» или «смелость».
Это первый подобный опыт, проводившийся в реальных условиях непосредственно на Марсе. Его цель — проверить возможность получения кислорода из марсианской атмосферы, которая на 96% состоит из углекислого газа. Кислород необходим для будущих пилотируемых полетов, где он будет использоваться как газ для дыхания астронавтов и как окислитель в ракетном топливе. Это позволит выполнять марсианские экспедиции независимо от поставок кислорода с Земли.
Возглавляет проект Майкл Хект, заместитель директора по управлению исследованиями в Массачусетском технологическом институте (MIT) в обсерватории Хейстека. MOXIE — это совместная разработка NASA, MIT, ряда частных технологических компаний и других университетов.
Устройство массой 17,1 кг и размером с автомобильный аккумулятор (23,9 × 23,9 × 30,9 см), потребляет 300 Вт электроэнергии и работает при атмосферном давлении от 2 до 12 мм рт. ст. Демонстратор установлен в передней части марсохода Perseverance. Его цель — показать, что углекислый газ, содержащийся в марсианской атмосфере, можно эффективно преобразовать в кислород.
Конечно, на Марсе есть ещё один источник кислорода в виде достаточно больших запасов водяного льда под поверхностью или в виде мёрзлых глубинных грунтов. Но его гораздо сложнее отыскать и извлечь. «[Лёд] нужно найти, выкопать, очистить и переработать. Это очень сложная задача для роботизированной миссии». А атмосфера, пусть и достаточно «жидкая», уже окружает ровер.
Специалисты в области химии знают, как превратить углекислый газ в кислород, хотя и осознают, что это не так просто.
«Наиболее перспективная технология для полета на Марс — это метод электролиза атмосферного газа на твердом оксиде, — рассказывает Хект. — Он относится к общей категории электрохимических процессов, которые происходят в гальванических батареях, топливных элементах и других подобных устройствах, с которыми мы хорошо знакомы. В этой конкретной конструкции используется твердый катализатор. Сложность заключается в том, что для достижения полезного результата необходимо повысить давление газа и нагреть его до высоких температур».
Топливный элемент наоборот
Процесс начинается с работы компрессора и фильтров, которые засасывают марсианский воздух и повышают его давление до уровня, соответствующего земному. Даже этот этап представляет собой серьезное испытание. Для начала необходимо собрать «воздух» — углекислый газ, который окружает ровер. На Земле это несложно: можно отправиться в хозяйственный магазин, приобрести компрессор и с его помощью закачать столько воздуха, сколько нужно. Но на Марсе ситуация иная: магазинов нет, атмосфера очень разреженная, и задача усложняется.
Чтобы закачать достаточное количество воздуха, требуется приложить значительные усилия. Специалисты компании Air Squared из Колорадо разработали для компрессорного насоса MOXIE конструкцию, которая отличается простотой, надежностью и прочностью.
Затем воздух направляется в теплообменники, где нагревается до 800° С. Электролизные ячейки с катализатором (оксид циркония на пористой керамике) расщепляют две молекулы углекислого газа (СО2), получая два атома кислорода, которые рекомбинируют в молекулу (О-О), и две молекулы окиси углерода — угарного газа (СО). Последний сбрасывается обратно в атмосферу планеты.
Таким образом, принцип работы MOXIE довольно прост и напоминает функционирование топливного элемента, но в обратном направлении. Топливные элементы используют контролируемую химическую реакцию между горючим (обычно газообразным водородом) и окислителем (газообразным кислородом) с участием катализатора. В результате этой реакции вырабатывается электричество и вода.
Сколько ресурсов стоит грамм кислорода?
Следует подчеркнуть, что этот процесс требует значительных энергетических затрат. На Земле это легко осуществить: достаточно включить инструмент в розетку. Однако на марсоходе Perseverance это серьезная проблема. Хотя ровер питается от очень емкого радиоизотопного термоэлектрогенератора, его выходная мощность составляет всего около 115 Вт, что соответствует не самой сильной лампочке накаливания.
Для питания MOXIE, который потребляет 300 Вт мощности, марсоходу необходимо накопить как можно больше энергии в своих аккумуляторных батареях, а также отключить большую часть других приборов во время проведения эксперимента. Понятно, что время для научных исследований Perseverance очень ценно.
«У нас есть и другие задачи, которые должен выполнять марсоход, — говорит Хект. — Это и движение по поверхности, и бурение, и работа других научных инструментов, и съемка всех этих прекрасных видов. Поэтому мы можем запускать MOXIE примерно раз в два месяца на несколько часов. [Прибор] расходует дневной запас энергии от батареи, а затем мы снова ждем. Из-за этого он постоянно нагревается, охлаждается и снова нагревается. Это тяжело для некоторых компонентов MOXIE, и нам пришлось оптимизировать систему, чтобы она не изнашивалась каждый раз, когда мы это делаем. Мы хотим включить MOXIE десять или двадцать раз и не сломать его».
Чтобы предотвратить перегрев и коррозию конструкции ровера, MOXIE помещён в корпус из алюминиевого сплава с золотым напылением.
Кураторы эксперимента стремятся получать примерно от 6 до 9 граммов чистого газообразного кислорода за каждый час работы. При этом демонстратор должен включаться несколько раз в течение двух лет и наработать в общей сложности примерно 10 часов.
Почему нельзя просто привезти кислород с Земли?
В случае успеха NASA намеревалось отправить на Марс более крупную установку с автономной электростанцией, примерно в сто раз мощнее MOXIE. В течение года она будет производить и хранить кислород для первых пилотируемых миссий на Марс. Полномасштабная система, по словам Хекта, будет производить в 200 раз больше кислорода, чем MOXIE. При этом возможно использовать кислород также в качестве окислителя для горючего, которое астронавты могут привезти с Земли.
Жидкий кислород — хороший окислитель для ракетного топлива, но его требуется гораздо больше, чем горючего. По словам Хекта, на семь тонн горючего [предполагаемого взлётного модуля] потребуется около 25 тонн кислорода. Кроме того, экипаж из четырех человек, живущий на поверхности Марса в течение полутора лет, будет потреблять около полутора тонн газа только для дыхания. Это дополнительное применение для системы производства кислорода.
Выработка жидкого кислорода для марсианской базы — это не первостепенная задача. Для начала необходимо разобраться с возможностью получения газа для дыхания людей. Это можно сделать, используя масштабно увеличенную версию MOXIE. Но специалисты всё чаще предлагают создать установку для получения и ожижения кислорода уже к началу первой экспедиции.
«Самым крупным предметом для длительного путешествия на Марс без использования местных ресурсов был бы бак окислителя взлетного модуля, заполненный как минимум 25 тоннами жидкого кислорода, — рассуждает Хект. — Это означает, что для верности NASA должна отправить туда 30-35 тонн кислорода. Это может потребовать нескольких запусков тяжелых ракет с Земли. Затем их нужно будет встретить (на околоземной или околомарсианской орбите), и все это дорого и сложно».
«Но если мы полетим с пустым баком и наполним его 20 или 30 тоннами кислорода, полученного из марсианской атмосферы, то это приблизит день нашего прибытия на Марс на 10 лет», — считает Хект.
Долгий путь: сколько заняла подготовка эксперимента
Разработка тестовой установки MOXIE была долгим и кропотливым процессом, и ее успешное включение в миссию стало достижением. «NASA начало работу над этим проектом еще в 1990-х, когда администратором агентства был Дэн Голдин. По его оценкам, если бы все пошло по плану, процесс отработки технологии занял бы около 15 лет, то есть полномасштабную установку можно было сделать к 2011 году», — вспоминает Хект. Однако даже к 2021 году был готов лишь демонстратор MOXIE.
Технологию протестировали на Земле, но для того, чтобы ей можно было доверять в будущем, следовало проверить ее на Марсе. «В лаборатории можно заставить работать что угодно, но в полевых условиях — другое дело», — говорит Хект.
NASA за десятилетия убедилось, что устройства, успешно протестированные на Земле, могут выйти из строя в космосе, поэтому испытания нужно проводить на месте. Но в случае успеха MOXIE должен был изменить планы специалистов на будущие научные исследования.
«Мы планируем осуществить это в два этапа, — говорит Хект. — На первом этапе мы разместим на поверхности Марса оборудование и объекты, необходимые астронавтам. Все это будет [автономно] функционировать в течение полутора лет, что соответствует времени, которое люди проведут на Марсе в большинстве сценариев миссий. Оборудование, которое мы предварительно разместим, помимо установок для производства кислорода, будет включать жилой модуль, системы энергоснабжения, марсоходы с экипажем, посадочный модуль и все необходимое для успешного выполнения миссии экипажа на поверхности Марса, которая и будет вторым этапом».
NASA хочет убедиться в том, что все оборудование будет работать исправно. «Мы не хотим, чтобы на Марсе оказался Марк Уотни», — добавляет Хект. Он имеет в виду персонажа романа Энди Вейера «Марсианин». По сюжету он был астронавтом, который прилетел на Красную планету в составе научной миссии, а затем задержался на ней на долгие месяцы.
Эксперты полагали, что успешное функционирование блока MOXIE станет важным шагом вперёд в освоении Марса и создании условий для жизни на нем. Редко когда подобные достижения в освоении других миров решаются столь доступными средствами.
В случае успеха в ближайшие десять лет на Марс могли отправиться один или несколько более крупных атмосферных процессоров, которые будут производить большое количество кислорода для использования в будущих пилотируемых миссиях NASA или других организаций. Одной из таких организаций могла стать компания SpaceX, хотя на данный момент неизвестно, исследуют ли они технологии использования местных ресурсов, подобные MOXIE.
«Мы обсуждали это с представителями SpaceX, но я не уверен, что у них есть конкретный план, — говорит Хект. — Я знаю, что их амбиции идут гораздо дальше, чем у NASA. Они говорят о больших полезных нагрузках и доставке большого количества людей на Марс, и им нужно не 25 тонн кислорода, а гораздо больше. Они хорошо осведомлены о нашей работе, и я желаю им удачи».
А каковы результаты?
После того, как установку MOXIE вместе с ровером Perseverance доставили на поверхность Красной планеты, специалисты Майкла Хекта смогли начать эксперименты лишь на 60-й день работы марсохода.
20 апреля 2021 года был выполнен первый рабочий цикл производства кислорода. MOXIE нагревался в течение двух часов, после чего начал генерировать О2 со скоростью 6 граммов в час. Затем производительность снизили для оценки состояния системы. За час работы было выработано 5,37 граммов газообразного кислорода. Этого количества хватило бы, чтобы обеспечить дыхание одного человека… в течение 10 минут.
В последующие дни, как и планировали ученые, установка периодически включалась и выключалась.
31 августа 2022 года MIT сообщил об успешной работе MOXIE в различных условиях. С февраля по декабрь 2021 года было проведено семь сеансов общей продолжительностью 8,81 часа. Демонстратор вырабатывал кислород как днем, так и ночью при температурах окружающей среды от -20 до -74° С. Максимальный темп всасывания атмосферного воздуха составляет 55 граммов газовой смеси в час, что давало 6–8 граммов кислорода в час. За семь включений было получено около 50 граммов кислорода «с высокой эффективностью».
Всего же во время своей активной работы MOXIE 16 раз извлекал кислород из марсианской атмосферы, проверяя способ, с помощью которого будущие астронавты могли бы производить не только газ для дыхания, но и компонент ракетного топлива для возвращения на Землю.
Прибор, установленный на марсоходе Perseverance, продемонстрировал работоспособность технологии производства кислорода на Марсе.
«Впечатляющие результаты MOXIE показывают, что из атмосферы Марса можно добывать кислород — газ, который может помочь обеспечить будущих астронавтов пригодным для дыхания воздухом или компонент ракетного топлива, — заявила заместитель администратора NASA Пэм Мелрой. — Разработка технологий, которые позволят нам использовать ресурсы на Луне и Марсе, имеет решающее значение для долгосрочного присутствия на Луне, создания надежной лунной экономики. Она позволит нам поддержать первую кампанию по исследованию Марса человеком».
Ученые предполагали, что демонстратор MOXIE сохранит высокую скорость получения кислорода на протяжении как минимум 60 рабочих циклов. Этот успех значительно ускорял разработку перспективных систем обеспечения жизнедеятельности для марсианских колоний. Прибор оказался гораздо более жизнеспособным, чем ожидали его создатели из MIT, хотя и смог сгенерировать кислорода меньше, чем предполагалось изначально.
К маю 2023 года MOXIE проработал 1083 минуты, собрав 106 граммов кислорода при производительности 10,5 грамма в час. 6 июня прибор установил рекорд: за 58 минут он генерировал до 12 граммов кислорода в час.
В сентябре 2023 года установка завершила работу, выполнив 16 включений за 2,5 года и выработав в общей сложности 122 грамма кислорода. Коллеги Хекта считают, что тот, кто отправит первых астронавтов на Красную планету, проложит новые пути для экспансии человеческой цивилизации в космосе. Первопроходцы будут благодарны экспериментам, таким как MOXIE, за их вклад в расширение границ человеческих возможностей.
Необходимое послесловие
Итак, рабочая установка для «промышленной добычи» кислорода из марсианского воздуха должна быть в 100 раз мощнее MOXIE. Оставив в стороне её массо-габаритные характеристики, остановимся на мощности. Супер-MOXIE будет функционировать, потребляя не менее 30 кВт электроэнергии. Это много для марсохода и других автоматических аппаратов, особенно на таком расстоянии от Земли. Как обеспечить электропитание? Радиоизотопный термоэлектрогенератор слишком слаб. Может, ядерный реактор или массив солнечных батарей?
NASA разрабатывало проект маломощного ядерного реактора Kilopower (KRUSTY, Kilopower Reactor Using Stirling Technology). Его планировали использовать на космических аппаратах, совершающих посадку на Луну и Марс, где солнечный свет не всегда доступен или не так интенсивен, как на околоземной орбите. Реактор мог выдавать от 1 до 10 кВт электроэнергии в течение десяти лет и регулировать мощность. Для масштабного производства кислорода на Марсе понадобится, как минимум, три таких реакторных установки.
Солнечные батареи впечатляют. На околоземной орбите на квадратный метр поверхности падает около 1,4 кВт солнечной энергии. Четыре главные панели солнечных батарей МКС с общей площадью 1 680 квадратных метров и массой 4,4 тонны вырабатывали 120 кВт. На сборку панелей ушло 10 лет.
Однако на поверхность Марса падает в 2,3 раза меньше солнечного света, чем на Землю. На орбите Красной планеты средний поток солнечного излучения составляет 589 Вт/м². Самые совершенные фотоэлектрические преобразователи с высоким КПД могут генерировать 110–120 Вт с квадратного метра марсианской поверхности. Для работы супер-MOXIE понадобится панель площадью 250–280 квадратных метров — меньше, но уже вполне сравнимо с солнечной электростанцией МКС. С учетом других потребителей (а особенно системы ожижения газообразного кислорода) нужно не менее 300–400 квадратных метров. Делаем выводы: главная проблема – не метод получения кислорода, а потребная мощность энергоустановки…
