在离地球近1亿英里的地方，在火星的红色和尘土飞扬的表面，一个只有饭盒大小的仪器正在证明它能够可靠地完成一棵小树的工作。由麻省理工学院(MIT)领导的火星氧气原位资源利用实验(MOXIE)自2021年4月以来一直在成功地从红色星球富含二氧化碳的大气中生产氧气。

那是在它作为NASA“毅力号”探测器和Mars 2020任务的一部分在火星表面着陆后约两个月。

在当地时间8月31日发表在《Science Advances》上的一项研究中，研究人员报告称，等到2021年底，MOXIE能在七个实验运行中产生氧气。这些都是在各种大气条件下进行的--包括在白天和晚上--以及在不同的火星季节。在每次实验运行中，该仪器达到了每小时生产6克氧气的目标。这约是地球上一棵普通的树的速率。

科学家们设想，一个放大版的MOXIE可以在人类任务之前被送往火星，在那里它可以以几百棵树的速度连续生产氧气。在这种能力下，该系统应生产足够的氧气来维持人类到达后的生活并为宇航员返回地球的火箭提供燃料。

到目前为止，MOXIE的持续生产是朝着这一目标迈出的有希望的第一步。

MIT Haystack天文台MOXIE任务的高级研究人员Michael Hecht说道：“我们已经学到了大量的知识，这将为未来更大规模的系统提供参考。”

MOXIE在火星上的氧气生产也代表了“原地资源利用”的首次展示。这是一个想法，即收获和使用一个星球的原材料来制造资源如氧气，否则就必须从地球运输。

MOXIE副首席调查员Jeffrey Hoffman说道：“这是第一次实际利用另一个行星体表面的资源并将其化学地转化为对人类任务有用的东西的演示。从这个意义上说，它是历史性的。”

Hoffman和赫克特的MIT合著者包括MOXIE团队成员Jason SooHoo、Andrew Liu、Eric Hinterman、Maya Nasr、Shravan Hariharan、Kyle Horn及来自多个机构的合作者--包括NASA喷气推进实验室(JPL)，该实验室管理MOXIE的开发、飞行软件、包装和发射前测试。

季节性空气

当前版本的MOXIE设计得很小以便装在“毅力号”探测器上。它是为短期运行而建造的，每次运行都会启动和关闭，具体则取决于火星车的探索时间表和任务责任。相比之下，一个全面的火星氧气工厂将包括更大的装置，最好是连续运行。

尽管MOXIE目前的设计有必要的限制，但该仪器已经表明它能够有效和可靠地将火星的大气转化为纯氧。它的做法是首先将火星空气拉入一个过滤器以清除其中的污染物。然后空气被加压并被送入固体氧化物电解器(SOXE)。这个仪器由OxEon Energy开发和建造，并通过电化学方法将富含二氧化碳的空气分离成氧离子和一氧化碳。

然后氧离子被分离并重新组合，然后形成可呼吸的分子氧(O2)。然后，MOXIE在将其跟一氧化碳和其他大气气体一起无害地释放回空气中之前对这种输出的数量和纯度进行测量。

自2021年2月漫游车着陆以来，MOXIE的工程师们在整个火星一年中已经启动了七次该仪器。每次它都需要几个小时来预热，然后再花一个小时来制造氧气，然后再断电。每次运行都被安排在白天或晚上的不同时间及不同的季节以检查MOXIE是否能适应该星球大气条件的变化。

Hoffman指出：“火星的大气层比地球要多得多。空气的密度在一年中可以变化2倍，温度可以变化100度。一个目标是表明我们可以在所有的季节里运行。”

到目前为止，MOXIE已经证明，它几乎可以在火星一天和一年的任何时间制造氧气。

Hecht说道：“我们唯一没有证明的是在黎明或黄昏时运行，那时温度正在发生重大变化。我们确实有一张王牌可以让我们做到这一点，一旦我们在实验室进行测试我们就可以达到最后一个里程碑，届时我们真的可以在任何时间运行。”

领先的游戏

随着MOXIE继续在火星上产生氧气，工程师们计划提高其能力并增加其产量，特别是在火星的春天，此时大气密度和二氧化碳水平很高。

“下一次运行将是在一年中密度最高的时候，我们只想尽可能多地制造氧气，”Hecht说道，“所以我们会把一切都设置得尽可能高并让它尽可能长地运行。”

他们还将监测该系统的磨损迹象。由于MOXIE只是“毅力号”上几个实验中的一个，它不能像一个完整规模的系统那样连续运行。相反，该仪器必须在每次运行时启动和关闭。这将导致热应力并随着时间的推移会使系统退化。

如果MOXIE能在反复开启和关闭的情况下成功运行，这将表明一个设计为连续运行的完整规模的系统可以连续运行数千小时。

Hoffman说道：“为了支持人类的火星任务，我们必须从地球上带来很多东西如计算机、宇航服和栖息地。但愚蠢的旧氧气?如果你能做到这一点，就去做吧--你已经在这场游戏中领先。”