Mars Oxygen ISRU Experiment

The Mars Oxygen In-Situ Resource Utilization Experiment (MOXIE)^[1] was a technology demonstration on the NASAMars 2020 rover Perseverance investigating the production of oxygen on Mars.^[2] On April 20, 2021, MOXIE produced oxygen from carbon dioxide in the Martian atmosphere by using solid oxide electrolysis. This was the first experimental extraction of a natural resource from another planet for human use.^[1][3] The technology may be scaled up for use in a human mission to the planet to provide breathable oxygen, oxidizer, and propellant; water may also be produced by combining the produced oxygen with hydrogen.^[4]

The experiment was a collaboration between the Massachusetts Institute of Technology, the Haystack Observatory, the NASA/CaltechJet Propulsion Laboratory, with OxEon Energy.

MOXIE's objective was to produce oxygen of at least 98% purity at a rate of 6–10 grams per hour (0.21–0.35 oz/h) and to do this at least ten times, so the device can be tested in a range of times of the day, including at night, and in most environmental conditions, including during a dust storm.^[1]

MOXIE builds upon an earlier experiment, the Mars In-situ propellant production Precursor (MIP), which was designed and built to fly on the Mars Surveyor 2001 Lander mission.^[5] MIP was intended to demonstrate In-Situ Propellant Production (ISPP) on a laboratory scale using electrolysis of carbon dioxide to produce oxygen.^[6] The MIP flight demonstration was postponed when the Mars Surveyor 2001 lander mission was cancelled after the Mars Polar Lander mission failed.^[7][8]

El investigador principal (IP) de MOXIE fue Michael Hecht del Observatorio Haystack del Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT). ^{[ 9 ]} El IP adjunto fue el ex astronauta de la NASA Jeffrey Hoffman del Departamento de Aeronáutica y Astronáutica del MIT. El director del proyecto fue Jeff Mellstrom del Laboratorio de Propulsión a Chorro (JPL) de la NASA/Caltech. Junto con el MIT y el JPL, los principales contribuyentes son OxEon Energy (anteriormente Ceramatec, Inc. ) y Air Squared . Otros contribuyentes incluyen el Imperial College London , Space Exploration Instruments LLC, Lunar Outpost (anteriormente Destiny Space Systems LLC), el Instituto Niels Bohr de la Universidad de Copenhague , la Universidad Estatal de Arizona y la Universidad Técnica de Dinamarca . ^{[ 10 ] [ 11 ]}

Corte transversal

Pruebas

Instalado

MOXIE adquiere, comprime y calienta los gases atmosféricos marcianos utilizando un filtro HEPA , un compresor scroll y calentadores junto con aislamiento, ^{[ 1 ]} luego divide el dióxido de carbono ( CO₂ ) moléculas enoxígeno(O) ymonóxido de carbono(CO) medianteelectrólisis de óxido sólido, donde los átomos de O se combinan para formar oxígeno gaseoso (O₂ ). ^{[ 12 ]}

El proceso de conversión requiere una temperatura de aproximadamente 800 °C (1470 °F) . ^{[ 4 ]} Una celda de electrólisis de óxido sólido funciona según el principio de que, a temperaturas elevadas, ^{[ 12 ]} ciertos óxidos cerámicos, como la zirconia estabilizada con itria (YSZ) y la ceria dopada , se convierten en conductores de iones óxido (O ^2– ) . Un disco delgado no poroso de YSZ (electrolito sólido) se intercala entre dos electrodos porosos . CO  _{El 2} se difunde a través del electrodo poroso (cátodo) y alcanza la proximidad del límite electrodo-electrolito. Mediante una combinación de disociación térmica y electrocatálisis, se libera un átomo de oxígeno delCO.₂ moléculas y toma dos electrones del cátodo para convertirse en un ion óxido (O^2–). A través de vacantes de iones de oxígeno en la red cristalina del electrolito, el ion oxígeno es transportado a la interfaz electrolito-ánodo debido alde CC. En esta interfaz, el ion oxígeno transfiere su carga alánodo, se combina con otro átomo de oxígeno para formar oxígeno (O .₂ ), y se difunde fuera del ánodo. ^{[ 1 ]}

La reacción neta fue, por lo tanto, 2 CO₂${\displaystyle \longrightarrow }$2 CO + O_2. Gases inertescomoelgas nitrógeno(N₂ ) yel argón(Ar) no se separan de la alimentación, sino que se devuelven a la atmósfera con el monóxido de carbono (CO) yel CO₂ . ^{[ 1 ]}

La producción de oxígeno se logró por primera vez el 20 de abril de 2021 en el cráter Jezero , produciendo 5,37 gramos (0,189 oz) de oxígeno, equivalente a lo que un astronauta en Marte necesitaría para respirar durante aproximadamente 10 minutos. ^{[ 13 ]} MOXIE fue diseñado para generar de forma segura hasta 10 g/h (0,35 oz/h) de oxígeno, ^{[ 14 ] [ 4 ]} con una producción teórica limitada a 12 gramos por hora (0,42 oz/h) de oxígeno debido a la capacidad limitada de la fuente de alimentación de vuelo de 4 amperios . ^{[ 1 ]} El oxígeno producido fue analizado y luego liberado de nuevo a la atmósfera. ^{[ 15 ]}    

MOXIE se utilizó para aislar oxígeno nueve veces más a lo largo de aproximadamente dos años terrestres, o un año marciano, en tres etapas; la primera etapa investigará más a fondo la producción de oxígeno, la segunda probará el instrumento en diversas horas del día, estaciones y condiciones atmosféricas, y la tercera producirá oxígeno a diferentes temperaturas y modificará el modo de operación para investigar las diferencias en la producción. ^{[ 4 ]}

El 21 de abril de 2021, Jim Reuter, administrador asociado de STMD, explicó que el experimento estaba funcionando y que los resultados tenían múltiples aplicaciones, afirmando: «Este es un primer paso crucial para convertir dióxido de carbono en oxígeno en Marte. MOXIE aún tiene trabajo por hacer, pero los resultados de esta demostración tecnológica son muy prometedores a medida que avanzamos hacia nuestro objetivo de ver algún día humanos en Marte. El oxígeno no es solo lo que respiramos. El propulsor de los cohetes depende del oxígeno, y los futuros exploradores dependerán de la producción de propulsor en Marte para regresar a casa». ^{[ 13 ]}

MOXIE había generado un total de 122 g (4,3 oz) de oxígeno, aproximadamente lo que respira un perro pequeño en 10 horas. En su máxima eficiencia, MOXIE fue capaz de producir 12 gramos por hora (0,42 oz/h) de oxígeno, el doble de los objetivos originales de la NASA para el instrumento, con una pureza del 98 % o superior. En su decimosexta y última ejecución, el 7 de agosto de 2023, el instrumento produjo 9,8 g (0,35 oz) de oxígeno. MOXIE completó con éxito todos sus requisitos técnicos y operó en diversas condiciones durante un año marciano completo, lo que permitió a sus desarrolladores aprender mucho sobre la tecnología. ^{[ 16 ]}     

La NASA afirma que si MOXIE funcionara de manera eficiente, podrían aterrizar en el planeta un instrumento basado en MOXIE aproximadamente 200 veces más grande, junto con una planta de energía capaz de generar 25–30 kilovatios (34–40 hp) . ^{[ 1 ]} En el transcurso de aproximadamente un año terrestre, este sistema produciría oxígeno a una tasa de al menos 2 kilogramos por hora (4,4 lb/h) ^{[ 1 ]} en apoyo de una misión humana en algún momento de la década de 2030. ^{[ 17 ] [ 18 ]} El oxígeno almacenado podría usarse para el soporte vital, pero la necesidad principal es un oxidante para un vehículo de ascenso a Marte. ^{[ 19 ] [ 20 ]} Se proyectó, por ejemplo, que en una misión de cuatro astronautas en la superficie marciana durante un año, solo se usaría alrededor de 1 tonelada métrica de oxígeno para el soporte vital durante todo el año, en comparación con aproximadamente 25 toneladas métricas de oxígeno necesarias para la propulsión desde la superficie de Marte para la misión de regreso. ^{[ 13 ]} El CO, un subproducto de la reacción, puede recolectarse y utilizarse como combustible de baja calidad ^{[ 21 ]} o reaccionar con agua para formar metano ( CH  ₄ ) para su uso como combustible primario. ^{[ 22 ] [ 23 ]} Como uso alternativo, un sistema de generación de oxígeno podría llenar un pequeño tanque de oxígeno como combustible-oxidante para apoyar unamisión de retorno de muestras. ^{[ 24 ]} El oxígeno también podría combinarse con hidrógeno para formar agua. ^{[ 4 ]}

Datos de la NASA (Misión MARS 2020, Rover Perseverance), ^{[ 9 ]} Ceramatec y OxEon Energy, ^{[ 25 ]} Laboratorio de Propulsión a Chorro de la NASA. ^{[ 26 ]}

• Función principal: Producir oxígeno a partir del dióxido de carbono atmosférico de Marte.
• Ubicación: Dentro del rover (parte delantera, lado derecho)
• Masa: 17,1 kilogramos
• Peso: 37,7 lbf (168 N) en la Tierra, 14,14 lbf (62,9 N) en Marte    
• Potencia: 300 vatios
• Volumen: 9,4 pulg. × 9,4 pulg. × 12,2 pulg. (24 cm × 24 cm × 31 cm)          
• Tasa de producción de oxígeno: Hasta 10 gramos (0,022 libras) por hora 
• Tiempo de operación: Aproximadamente una hora de producción de oxígeno ( O₂ ₎ por experimento, que se programará de forma intermitente durante la duración de la misión. ^{[ 9 ]}

MOXIE: Impulsor del diseño operativo (SIZE):

• Flujo de gas: Colector interno para pureza _de O₂ y dP
• Alimentación: _CO2 seco en un rango de 30–80 g/h
• Producto: O₂ _con 99,6% de pureza , colector interno
• Estructural: Robusto para soportar el lanzamiento, los impactos y vibraciones del EDL y los requisitos de carga de compresión.
• Potencia: Muy limitada
• Masa: 1  kg máximo
• Volumen: Rígidamente restringido
• Funcionamiento: Más de 20 ciclos de 120 minutos
• Rampa de calentamiento: 90 minutos (aprox. 515  °C/hora) desde la temperatura ambiente (potencialmente -40 °  C) hasta 800  °C.
• Aplicación de calor: Calentadores solo en las placas terminales ^{[ 25 ]}

MOXIE: Factores determinantes del diseño de materiales:

• Interconexiones (IC): Metalurgia de polvos (CFY, Plansee)
• Juntas: Juntas de vidrio
• Barras conductoras actuales: Varilla soldada / alambre soldado
• Colectores de alimentación: Tubo de entrada/colector interno Pureza _de O₂
• Electrodo de ánodo: Perovskita
• Electrodo del cátodo: Cermet patentado modificado
• Electrolito: zirconia estabilizada con escandia (ScSZ) ^{[ 25 ]}

MOXIE: Diseño de celdas:

• Número de celdas: 10 (dispuestas en dos pilas de 5 celdas cada una)
• Producción de oxígeno: 10 gramos por hora (>1 g/h por célula) ^{[ 26 ]}
• Cada célula consta de:
  • Electrolito (circonia estabilizada con itria (YSZ))
  • Cátodo
  • Ánodo

Conectando células:

• Aleación con alto contenido de cromo (coeficiente de dilatación térmica compatible con el electrolito cerámico)
  • Aproximadamente 100 mm × 50 mm × 2 mm (3,937 pulg. × 1,969 pulg. × 0,079 pulg.)          
  • Contiene colectores para corrientes de gas ^{[ 26 ]}

MOXIE: Sistema de suministro de gas (compresor scroll):

• Caudal de compresión de la bomba scroll: Hasta aproximadamente 1 bar
• Velocidad de rotación de la bomba scroll: Baja velocidad (2000–4000 RPM)
• Rendimiento: Gas de entrada: 83  g/h, P = 7 Torr , T = 20  °C, Pin = 120 W, Masa: aprox. 2  kg ^{[ 26 ]}

MOXIE: Objetivos:

• Ciclos Operacionales: Los requisitos de la misión principal exigen la capacidad de operar un total de 20 ciclos: ^{[ 27 ]}
  • 10 ciclos de pre-vuelo
  • Más de 10 ciclos en Marte
• Pruebas de calificación y verificación: Implica 60 ciclos operativos completos para probar la extensibilidad, lo que representa el triple del número de ciclos planificados para la misión principal. ^{[ 27 ]}
• Pureza de oxígeno: 99,6%+ al final de su vida útil.
• Capacidad de temperatura: Capaz de funcionar a una temperatura de prueba de −65 °  C.
• Requisitos de compresión, impacto y vibración:
  • Soporta  una fuerza de compresión de 8 kN.
  • Niveles de resistencia (PF) + 3  dB para requisitos de choque y vibración de vuelo ^{[ 25 ]}

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