Sur la surface rouge et poussiéreuse de Mars, à près de 100 millions de kilomètres de la Terre, un instrument de la taille d’une boîte à lunch prouve qu’il peut faire de manière fiable le travail d’un petit arbre.
L’expérience d’utilisation des ressources in situ en oxygène de Mars, ou MOXIE, dirigée par le MIT, fabrique avec succès de l’oxygène à partir de l’atmosphère riche en dioxyde de carbone de la planète rouge depuis février 2021, lorsqu’elle a atterri sur la surface martienne dans le cadre de la mission du rover Perseverance de la NASA. .
Dans une étude publiée dans la revue Les avancées scientifiques, les chercheurs rapportent qu’à la fin de 2021, MOXIE était capable de produire de l’oxygène sur sept essais expérimentaux, dans diverses conditions atmosphériques, y compris le jour et la nuit, et à travers différentes saisons martiennes. À chaque essai, l’instrument a atteint son objectif de produire six grammes d’oxygène par heure, soit environ le taux d’un arbre modeste sur Terre.
Les chercheurs envisagent qu’une version à grande échelle de MOXIE pourrait être envoyée sur Mars avant une mission humaine, pour produire en continu de l’oxygène au rythme de plusieurs centaines d’arbres. À cette capacité, le système devrait générer suffisamment d’oxygène pour à la fois soutenir les humains une fois arrivés et alimenter une fusée pour ramener les astronautes sur Terre.
Jusqu’à présent, la production régulière de MOXIE est une première étape prometteuse vers cet objectif.
« Nous avons appris énormément de choses qui éclaireront les futurs systèmes à plus grande échelle », déclare Michael Hecht, chercheur principal de la mission MOXIE à l’observatoire Haystack du MIT.
La production d’oxygène de MOXIE sur Mars représente également la première démonstration de « l’utilisation des ressources in situ », qui est l’idée de récolter et d’utiliser les matériaux d’une planète (dans ce cas, le dioxyde de carbone sur Mars) pour fabriquer des ressources (telles que l’oxygène) qui autrement doivent être transportés depuis la Terre.
« Il s’agit de la première démonstration de l’utilisation réelle de ressources à la surface d’un autre corps planétaire et de leur transformation chimique en quelque chose qui serait utile pour une mission humaine », déclare Jeffrey Hoffman, chercheur principal adjoint de MOXIE, professeur de pratique au département du MIT. de l’Aéronautique et de l’Astronautique. « C’est historique dans ce sens. »
Les co-auteurs du MIT de Hoffman et Hecht incluent les membres de l’équipe MOXIE Jason SooHoo, Andrew Liu, Eric Hinterman, Maya Nasr, Shravan Hariharan et Kyle Horn, ainsi que des collaborateurs de plusieurs institutions, dont le Jet Propulsion Laboratory de la NASA, qui a géré le développement de MOXIE, le logiciel de vol, l’emballage et les tests avant le lancement.
Air saisonnier
La version actuelle de MOXIE est petite par conception, afin de s’adapter à bord du rover Persévérance, et est conçue pour fonctionner pendant de courtes périodes, démarrant et s’arrêtant à chaque exécution, en fonction du calendrier d’exploration du rover et des responsabilités de la mission. En revanche, une usine d’oxygène à grande échelle comprendrait des unités plus grandes qui fonctionneraient idéalement en continu.
Malgré les compromis nécessaires dans la conception actuelle de MOXIE, l’instrument a montré qu’il peut convertir de manière fiable et efficace l’atmosphère de Mars en oxygène pur. Pour ce faire, il aspire d’abord l’air martien à travers un filtre qui le nettoie des contaminants. L’air est ensuite pressurisé et envoyé à travers l’électrolyseur à oxyde solide (SOXE), un instrument développé et construit par OxEon Energy, qui divise électrochimiquement l’air riche en dioxyde de carbone en ions oxygène et monoxyde de carbone.
Les ions oxygène sont ensuite isolés et recombinés pour former de l’oxygène moléculaire respirable, ou O2, dont MOXIE mesure ensuite la quantité et la pureté avant de le relâcher sans danger dans l’air, avec le monoxyde de carbone et d’autres gaz atmosphériques.
Depuis l’atterrissage du rover en février 2021, les ingénieurs de MOXIE ont démarré l’instrument sept fois au cours de l’année martienne, prenant à chaque fois quelques heures pour se réchauffer, puis une autre heure pour fabriquer de l’oxygène avant de le remettre sous tension. Chaque exécution était programmée à une heure différente du jour ou de la nuit, et à différentes saisons, pour voir si MOXIE pouvait s’adapter aux changements des conditions atmosphériques de la planète.
« L’atmosphère de Mars est beaucoup plus variable que celle de la Terre », note Hoffman. « La densité de l’air peut varier d’un facteur deux au cours de l’année, et la température peut varier de 100 degrés. L’un des objectifs est de montrer que nous pouvons courir en toutes saisons. »
Jusqu’à présent, MOXIE a montré qu’il peut fabriquer de l’oxygène à presque n’importe quel moment de la journée et de l’année martiennes.
« La seule chose que nous n’avons pas démontrée est de courir à l’aube ou au crépuscule, lorsque la température change considérablement », déclare Hecht. « Nous avons un as dans notre manche qui nous permettra de le faire, et une fois que nous l’aurons testé en laboratoire, nous pourrons atteindre cette dernière étape pour montrer que nous pouvons vraiment courir à tout moment. »
En avance sur le jeu
Alors que MOXIE continue de produire de l’oxygène sur Mars, les ingénieurs prévoient d’augmenter sa capacité et d’augmenter sa production, en particulier au printemps martien, lorsque la densité atmosphérique et les niveaux de dioxyde de carbone sont élevés.
« La prochaine course à venir aura lieu pendant la plus forte densité de l’année, et nous voulons juste produire autant d’oxygène que possible », a déclaré Hecht. « Nous allons donc tout mettre aussi haut que nous l’osons et le laisser fonctionner aussi longtemps que nous le pourrons. »
Ils surveilleront également le système pour des signes d’usure. Comme MOXIE n’est qu’une expérience parmi d’autres à bord du rover Persévérance, il ne peut pas fonctionner en continu comme le ferait un système à grande échelle. Au lieu de cela, l’instrument doit démarrer et s’arrêter à chaque analyse, une contrainte thermique qui peut dégrader le système au fil du temps.
Si MOXIE peut fonctionner avec succès malgré des allumages et des extinctions répétés, cela suggérerait qu’un système à grande échelle, conçu pour fonctionner en continu, pourrait le faire pendant des milliers d’heures.
« Pour soutenir une mission humaine sur Mars, nous devons apporter beaucoup de choses de la Terre, comme des ordinateurs, des combinaisons spatiales et des habitats », explique Hoffman. « Mais vieil oxygène stupide? Si vous pouvez y arriver, allez-y – vous êtes en avance sur le match. »
Mars Oxygen ISRU Experiment (MOXIE) – Préparation à l’exploration humaine de Mars, Avancées scientifiques (2022). www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abp8636