在距離地球近1.5億千米的那顆塵土飛揚的紅色星球的表面，一個只有飯盒大小的儀器，正在證明它能夠可靠地完成一棵樹的工作，那就是制造氧氣。
自2021年4月以來，也就是MOXIE（火星氧氣原位資源利用實驗）作為“毅力號”火星車的一部分降落到火星表面兩個月之后，它一直利用火星富含二氧化碳的大氣中制造氧氣。
毅力號上的科學儀器。右下角示意圖中黃色部分便是MOXIE。（圖／NASA）
在發表在《科學進展》上的一篇論文中，研究人員報告，到2021年底，MOXIE在各種大氣條件下，包括在白天和晚上，以及在不同的火星季節，進行了7次實驗性的氧氣生產。在每次運行中，儀器都達到了每小時生產約6克氧氣的目標，大約相當于地球上一棵小樹的制氧速度。
用火星空氣制氧
目前版本的MOXIE設計得很小，質量不到20千克，以便它被安裝在毅力號上。
潔凈室里的MOXIE。（圖／NASA/JPL-Caltech）
盡管目前的設計存在一些必要的妥協，但這臺儀器已經表明，它能可靠且有效地將火星大氣轉化為純氧。
它的做法是，首先通過一個過濾器，將火星空氣吸入，清除其中的污染物。然后空氣被加壓，并被送入固體氧化物電解槽（SOXE），通過電化學方法將富含二氧化碳的空氣分解成氧離子和一氧化碳。
接下來，氧離子被分離并重新組合，形成可供呼吸的分子氧。MOXIE會測量分子氧的生成量和純度，然后將它與一氧化碳和其他大氣氣體一起無害地釋放回空氣中。
目前，MOXIE僅需滿足短期運行。根據研究團隊安排的探測時間表，它在每次運行的前后都會啟動和關閉。
自2021年2月著陸以來，MOXIE的工程師在一個火星年中啟動了7次儀器，每次都需要幾個小時來預熱，然后再花一個小時來制造氧氣，最后再關閉電源。
每次運行被安排在白天或晚上的不同時間，以及不同的季節，以便觀察MOXIE是否能適應這個星球大氣條件的各種變化。這是因為，火星的大氣比地球的要多變得多。空氣密度在一年中可以產生大約2倍的差異，溫度也會有數十度甚至更高的波動。
毅力號著陸點的大氣密度變化預測。（圖／Hoffman, J. A. et al., 2022）
到目前為止，MOXIE已經證明，它幾乎可以在火星一年里的任何季節、一天中的任何時間制造氧氣。團隊唯一還沒有證明的是，儀器在黎明或黃昏時運行的狀況，這兩個時段溫度正在發生明顯變化。他們有信心可以做到這一點，一旦實驗室測試完成后，就可以達到最后這個里程碑。
邁出的第一步
隨著MOXIE繼續在火星上制造氧氣，工程師正計劃提高它的能力，增加產量，特別是在火星的春季，當大氣密度和二氧化碳水平較高時。
下一次運行將被安排在火星一年中密度最高的時候。團隊會把一切都設置得盡可能高，并讓它盡可能長時間地運行。
同時，他們還將監測這一系統的磨損跡象。由于每次運行都需要開啟和關閉，這有可能讓系統退化。
MOXIE只是一個測試模型，研究人員設想，它的放大版可以在人類任務之前被送往火星，而且最好可以連續運行，以幾百棵樹的制氧速度持續生產氧氣。
在這種能力下，這個系統應產生足夠的氧氣，能維持人類到達后的生活，并為火箭提供燃料，讓航天員返回地球。到目前為止，MOXIE的穩定輸出是朝著這個目標邁出的有希望的第一步。
MOXIE在火星上生產氧氣也代表了“原位資源利用”的首次展示，這種想法其實就是，收集并利用一顆星球上的材料（對MOXIE而言就是火星上的二氧化碳），來制造出原本不得不從地球上運輸來的資源（氧氣）。
也就是說，這是第一次實際利用另一顆行星表面的資源，并利用化學轉化為對人類任務有用的東西。從這個意義上說，這項實驗是歷史性的。
參考來源：
https://news.mit.edu/2022/moxie-oxygen-mars-0831
https://mars.nasa.gov/mars2020/spacecraft/instruments/moxie/
https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abp8636
封面圖/首圖：NASA/JPL-Caltech
