Mars-Sauerstoff-ISRU-Experiment - Mars Oxygen ISRU Experiment
Operator | NASA |
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Hersteller | NASA/Caltech Jet Propulsion Laboratory |
Gerätetyp | ISRU (In-Situ-Ressourcennutzung) experimentelle Technologie |
Funktion | Sauerstoffproduktion |
Webseite | mars |
Eigenschaften | |
Masse | 15 kg (33 lb) |
Maße | 24 × 24 × 31 cm |
Energieverbrauch | 300 W |
Host-Raumschiff | |
Raumfahrzeug | Ausdauer |
Erscheinungsdatum | 30. Juli 2020 |
Rakete | Atlas V 541 |
Startplatz | Cape Canaveral SLC-41 |
Das Mars Oxygen In-Situ Resource Utilization Experiment ( MOXIE ) ist eine Technologiedemonstration auf dem Mars 2020 Rover Perseverance der NASA, die die Sauerstoffproduktion auf dem Mars untersucht . Am 20. April 2021 produzierte MOXIE mittels Festoxidelektrolyse Sauerstoff aus Kohlendioxid in der Marsatmosphäre . Dies war die erste experimentelle Gewinnung einer natürlichen Ressource von einem anderen Planeten für den menschlichen Gebrauch. Die Technologie kann für den Einsatz in einer menschlichen Mission auf dem Planeten skaliert werden , um atembaren Sauerstoff, Oxidationsmittel und Treibmittel bereitzustellen ; Wasser kann auch hergestellt werden, indem der produzierte Sauerstoff mit Wasserstoff kombiniert wird .
Das Experiment war eine Zusammenarbeit zwischen dem Massachusetts Institute of Technology , dem Haystack Observatory , dem NASA/ Caltech Jet Propulsion Laboratory und anderen Institutionen.
Zielsetzung
Das Ziel von MOXIE ist es, Sauerstoff mit einer Reinheit von mindestens 98% mit einer Rate von 6–10 Gramm pro Stunde (0,21–0,35 oz/h) zu produzieren und dies mindestens zehn Mal zu tun, damit das Gerät in einer Reihe von Zeiten getestet werden kann des Tages, auch nachts, und unter den meisten Umweltbedingungen, einschließlich während eines Staubsturms .
Entwicklung
MOXIE baut auf einem früheren Experiment auf, dem Mars In-situ Precursor (MIP), der für den Flug auf der Mars Surveyor 2001 Lander- Mission entwickelt und gebaut wurde . MIP sollte die In-Situ-Treibstoffproduktion (ISPP) im Labormaßstab unter Verwendung der Elektrolyse von Kohlendioxid zur Erzeugung von Sauerstoff demonstrieren. Die MIP-Flugdemonstration wurde verschoben, als die Lander-Mission Mars Surveyor 2001 nach dem Scheitern der Mars-Polar-Lander- Mission abgesagt wurde .
Der Principal Investigator (PI) von MOXIE ist Michael Hecht vom Haystack Observatory am Massachusetts Institute of Technology (MIT). Stellvertretender PI ist der ehemalige NASA-Astronaut Jeffrey Hoffman vom Department of Aeronautics and Astronautics am MIT. Projektleiter ist Jeff Mellstrom vom NASA/Caltech Jet Propulsion Laboratory (JPL). Neben MIT und JPL leisten OxEon Energy (vormals Ceramatec, Inc. ) und Air Squared die wichtigsten Beiträge . Weitere Mitwirkende sind das Imperial College London , Space Exploration Instruments LLC, Destiny Space Systems LLC, das Niels-Bohr-Institut der Universität Kopenhagen , die Arizona State University und die Technische Universität von Dänemark .
Prinzip
MOXIE erfasst, komprimiert und erhitzt die atmosphärischen Gase des Mars mithilfe eines HEPA-Filters , eines Scroll-Kompressors und Heizungen zusammen mit der Isolierung und spaltet dann das Kohlendioxid ( CO
2) Moleküle in Sauerstoff (O) und Kohlenmonoxid (CO) mittels Festoxidelektrolyse , wobei sich die O-Atome zu gasförmigem Sauerstoff ( O
2).
Der Umwandlungsprozess erfordert eine Temperatur von ca. 800 °C (1.470 °F). Eine Festoxid-Elektrolysezelle funktioniert nach dem Prinzip, dass bei erhöhten Temperaturen bestimmte keramische Oxide, wie Yttriumoxid-stabilisiertes Zirkonoxid (YSZ) und dotiertes Ceroxid, zu Oxidionen (O 2– ) -Leitern werden . Eine dünne, nicht poröse Scheibe aus YSZ (Festelektrolyt) wird zwischen zwei porösen Elektroden eingelegt . CO
2diffundiert durch die poröse Elektrode ( Kathode ) und gelangt in die Nähe der Elektroden-Elektrolyt-Grenze. Durch eine Kombination aus thermischer Dissoziation und Elektrokatalyse wird ein Sauerstoffatom aus dem CO . freigesetzt
2Molekül und nimmt zwei Elektronen von der Kathode auf, um ein Oxidion (O 2– ) zu werden. Über Sauerstoffionen-Leerstellen im Kristallgitter des Elektrolyten wird das Sauerstoffion aufgrund des angelegten DC- Potentials an die Elektrolyt-Anoden-Grenzfläche transportiert . An dieser Grenzfläche überträgt das Sauerstoffion seine Ladung auf die Anode , verbindet sich mit einem anderen Sauerstoffatom zu Sauerstoff ( O
2) und diffundiert aus der Anode.
Die Nettoreaktion ist somit 2 CO
2 2 CO + O
2. Inerte Gase wie Stickstoffgas ( N
2) und Argon (Ar) werden nicht vom Feed getrennt, sondern mit dem Kohlenmonoxid (CO) und ungenutztem CO . in die Atmosphäre zurückgeführt
2.
Mars-Experiment
Die Sauerstoffproduktion wurde erstmals am 20. April 2021 im Jezero-Krater erreicht und produzierte 5,37 Gramm (0,189 oz) Sauerstoff, was dem entspricht, was ein Astronaut auf dem Mars etwa 10 Minuten lang atmen müsste. MOXIE ist sicher ausgelegt erzeugen bis zu 10 g / h (0,35 oz / h) von Sauerstoff, mit theoretischen Produktions beschränkt auf 12 Gramm pro Stunde (0,42 oz / h) von Sauerstoff aufgrund der begrenzten Kapazität der 4 Ampere Flugstromversorgung . Der produzierte Sauerstoff wird analysiert und anschließend wieder in die Atmosphäre abgegeben.
MOXIE soll im Verlauf von etwa zwei Erdjahren oder einem Marsjahr in drei Stufen weitere neunmal Sauerstoff isolieren; in der ersten Phase wird die Sauerstoffproduktion weiter untersucht, in der zweiten wird das Instrument zu verschiedenen Tageszeiten, Jahreszeiten und atmosphärischen Bedingungen getestet, und in der dritten wird Sauerstoff bei verschiedenen Temperaturen erzeugt und die Betriebsweise geändert, um Unterschiede in zu untersuchen Produktion.
Am 21. April 2021 erklärte Jim Reuter, der stellvertretende Administrator von STMD, dass das Experiment mit Ergebnissen funktionierte, die viele Verwendungszwecke haben, und erklärte: "Dies ist ein entscheidender erster Schritt bei der Umwandlung von Kohlendioxid in Sauerstoff auf dem Mars. MOXIE hat noch mehr zu tun." , aber die Ergebnisse dieser Technologiedemonstration sind vielversprechend, während wir uns unserem Ziel nähern, eines Tages Menschen auf dem Mars zu sehen. Sauerstoff ist nicht nur das, was wir atmen auf dem Mars, um die Heimreise anzutreten."
Auswirkungen
Die NASA gibt an, dass, wenn MOXIE effizient arbeiten würde, sie ein etwa 200-mal größeres, auf MOXIE basierendes Instrument auf dem Planeten landen könnten, zusammen mit einem Kraftwerk, das 25-30 Kilowatt (34-40 PS) erzeugen kann. Im Laufe von ungefähr einem Erdenjahr würde dieses System Sauerstoff mit einer Geschwindigkeit von mindestens 2 Kilogramm pro Stunde (4,4 lb/h) produzieren, um irgendwann in den 2030er Jahren eine menschliche Mission zu unterstützen. Der gespeicherte Sauerstoff könnte zur Lebenserhaltung verwendet werden, aber der Hauptbedarf besteht in einem Oxidationsmittel für ein Mars-Aufstiegsfahrzeug. Es wird zum Beispiel prognostiziert, dass bei einer Mission von vier Astronauten auf der Marsoberfläche für ein Jahr nur etwa 1 Tonne Sauerstoff für das ganze Jahr zur Lebenserhaltung verwendet würde, verglichen mit etwa 25 Tonnen Sauerstoff für den Antrieb von der Oberfläche des Mars für die Rückreise. Das CO, ein Nebenprodukt der Reaktion, kann gesammelt und als minderwertiger Brennstoff verwendet oder mit Wasser zu Methan ( CH
4) zur Verwendung als Primärbrennstoff. Als alternative Verwendung könnte ein Sauerstofferzeugungssystem einen kleinen Sauerstofftank füllen, um eine Probenrückführungsmission zu unterstützen . Der Sauerstoff könnte auch mit Wasserstoff zu Wasser kombiniert werden.
Technische Spezifikationen
Daten von NASA (MARS 2020 Mission Perseverance Rover), Ceramatec und OxEon Energy, NASA Jet Propulsion Laboratory.
• Hauptaufgabe: Sauerstoff aus der Mars-Kohlendioxid-Atmosphäre zu produzieren.
• Standort: Im Inneren des Rovers (vorne, rechte Seite)
• Masse: 17,1 Kilogramm
• Gewicht: 37,7 Pfund auf der Erde, 14,14 Pfund auf dem Mars
• Leistung: 300 Watt
• Volumen: 9,4 x 9,4 x 12,2 Zoll (23,9 x 23,9 x 30,9 Zentimeter)
• Sauerstoffproduktionsrate: Bis zu 10 Gramm pro Stunde (mindestens 0,022 Pfund pro Stunde)
• Betriebszeit: Ungefähr eine Stunde Sauerstoff (O2)-Produktion pro Experiment. die zeitweise über die Dauer der Mission geplant wird.
MOXIE: Operational Design Drive (SOXE):
• Gasfluss: Intern mit Verteiler für O2-Reinheit und dP
• Futter: TROCKENCO2 in einem Bereich von 30-80 g/h
• Produkt: 99,6% reines O2, interner Verteiler
• Strukturell: Robust, um Start, EDL-Schock und -Vibe zu überstehen, Anforderungen an die Druckbelastung
• Leistung: Stark eingeschränkt
• Masse: max. 1 kg
• Volumen: Starr beschränkt
• Betrieb: 20+ 120 Minuten Zyklen
• Heizrampen: 90 Minuten (~515°C/Stunde) von Umgebungstemperatur (potenziell -40°C) bis 800°C.
• Wärmeanwendung: Heizungen nur auf Endplatten
MOXIE: Treiber für das Materialdesign:
• Interconnects (IC): Pulvermetallurgie (CFY, Plansee)
• Dichtungen: Glasdichtungen
• Stromschienen: Gelöteter Stab / geschweißter Draht
• Zufuhrverteiler: Einlassrohr/interner Verteiler O2-Reinheit
• Anodenelektrode: Perowskit
• Kathodenelektrode: Modifiziertes proprietäres Cermet
• Elektrolyt: Scandia-stabilisiertes Zirkonoxid (ScSZ)
MOXIE: Zelldesign:
• Anzahl der Zellen: 10 Zellen (in zwei Stapeln zu je 5 Zellen angeordnet)
• Sauerstoffproduktion: 10 Gramm pro Stunde (>1g/Std. pro Zelle)
• Jede Zelle besteht aus:
- Elektrolyt (Yttriumoxid-stabilisiertes Zirkonoxid YSZ)
- Kathode
- Anode
• Zellen verbinden:
- Hochchromlegierung (angepasster WAK an Keramikelektrolyt)
- Ungefähr 100 mm x 50 mm x 2 mm
- Enthält Verteiler für Gasströme
MOXIE: Gasversorgungssystem (Scrollkompressor):
• Kompressionsrate der Scroll-Pumpe: Bis zu ca. 1 bar
• Drehzahl der Scroll-Pumpe: Niedrige Geschwindigkeit (2000-4000 U/min)
• Leistung: Einlassgas: 83 g/h, P= 7 Torr, T= 20°C, Pin= 120 W, Masse: ~2kg
MOXIE: Ziele:
• Betriebszyklen: Die primären Missionsanforderungen erfordern die Fähigkeit, insgesamt 20 Zyklen zu betreiben:
– 10 Zyklen Preflight
– 10+ Zyklen auf dem Mars
• Qualifizierungs- und Verifizierungstests: Es umfasst 60 vollständige Betriebszyklen zum Nachweis der Erweiterbarkeit, was dem Dreifachen der für die Hauptmission geplanten Zyklen entspricht.
• Sauerstoffreinheit: 99,6%+ am Ende der Lebensdauer
• Temperaturfähigkeit: Kann bei einer Temperatur von -65°C betrieben werden
• Kompressions-, Schock- und Vibe-Anforderungen:
- Hält 8 kN Druckkraft stand
- Widerstehen (PF) + 3dB Level für Flugschock- und Vibe-Anforderungen