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 火星酸素現地資源利用実験 (MOXIE) | |
| オペレーター | 米航空宇宙局（NASA） |
|---|---|
| メーカー | NASA/カリフォルニア工科大学/ジェット推進研究所 オックスエオンエナジー |
| 楽器の種類 | ISRU（原位置資源利用）実験技術 |
| 関数 | 酸素生成 |
| 営業開始 | 2021年4月20日 |
| 営業停止 | 2023年8月3日 |
| Webサイト | mars.nasa.gov/mars2020/mission/instruments/moxie/ |
| プロパティ | |
| 質量 | 15 kg (33 ポンド) |
| 寸法 | 24 × 24 × 31 cm |
| 消費電力 | 300ワット |
| ホスト宇宙船 | |
| 宇宙船 | 忍耐力 |
| 発売日 | 2020年7月30日 |
| ロケット | アトラス V 541 |
| 発射場 | ケープカナベラル SLC-41 |
火星酸素原位置資源利用実験（MOXIE）[1]は、火星での酸素生成を調査するNASAの火星2020ローバーパーセベランスの技術実証でした。[2] 2021年4月20日、MOXIEは固体酸化物電気分解を使用して火星の大気中の二酸化炭素から酸素を生成しました。これは、人類が使用するために他の惑星から天然資源を抽出した最初の実験でした。[1] [3]この技術は、呼吸可能な酸素、酸化剤、推進剤を提供するために、火星への有人ミッションで使用するために拡大される可能性があります。また、生成された酸素を水素と結合させることで水を生成することもできます。[4]
この実験は、マサチューセッツ工科大学、ヘイスタック天文台、NASA/カリフォルニア工科大学 ジェット推進研究所、およびオックスエオン・エナジーの共同研究で行われた。
客観的
MOXIEの目的は、純度98%以上の酸素を毎時6～10グラム（0.21～0.35オンス/時）の速度で生成し、これを少なくとも10回繰り返して、夜間を含む一日の様々な時間帯や、砂嵐を含むほとんどの環境条件でデバイスをテストできるようにすることでした。 [ 1]
発達
MOXIEは、以前の実験である火星のその場での推進剤製造前駆物質（MIP）に基づいており、これはマーズ・サーベイヤー2001着陸機ミッションで飛行するように設計および構築されました。[5] MIPは、二酸化炭素の電気分解を使用して酸素を生成する実験室規模でのその場での推進剤製造（ISPP）を実証することを目的としていました。[6] MIPの飛行実証は、火星極地着陸機ミッションの失敗によりマーズ・サーベイヤー2001着陸機ミッションがキャンセルされたため延期されました。[7] [8]
MOXIEの主任研究者（PI）は、マサチューセッツ工科大学（MIT）ヘイスタック天文台の マイケル・ヘクト氏でした。 [9]副PIは、MIT航空宇宙学部の元NASA宇宙飛行士ジェフリー・ホフマン氏でした。プロジェクトマネージャーは、NASA/カリフォルニア工科大学ジェット推進研究所（JPL）のジェフ・メルストロム氏でした。MITとJPLに加えて、主要な貢献者はOxEon Energy（旧Ceramatec, Inc.）とAir Squaredです。その他の貢献者には、インペリアル・カレッジ・ロンドン、Space Exploration Instruments LLC、Destiny Space Systems LLC、コペンハーゲン大学ニールス・ボーア研究所、アリゾナ州立大学、デンマーク工科大学などがあります。[10] [11]
原理
MOXIEは、HEPAフィルター、スクロールコンプレッサー、ヒーター、断熱材を使用して火星の大気ガスを収集、圧縮、加熱し、 [1]二酸化炭素（CO
2) 分子を固体酸化物電気分解で酸素(O) と一酸化炭素(CO)に分解し、O 原子が結合して気体酸素 ( O
2）。[12]
変換プロセスには約800℃（1,470℉）の温度が必要です。[4]固体酸化物電解セルは、高温で[12]イットリア安定化ジルコニア（YSZ）やドープセリア などの特定のセラミック酸化物が酸化物イオン（O 2–）伝導体になるという原理で動作します。YSZ（固体電解質）の薄い非多孔性ディスクが2つの多孔質電極の間に挟まれています。CO
2多孔質電極（カソード）を拡散し、電極電解質境界付近に到達します。熱解離と電気触媒の組み合わせにより、COから酸素原子が解放されます。
2分子はカソードから2つの電子を受け取り、酸化物イオン（O 2–）になります。電解質の結晶格子内の酸素イオン空孔を介して、酸素イオンは印加されたDC電位により電解質-アノード界面に輸送されます。この界面で、酸素イオンはアノードに電荷を移動し、別の酸素原子と結合して酸素（O
2）となり、陽極から拡散する。[1]
正味の反応は2 CO
2 2 CO + O
2窒素ガス（N
2）とアルゴン（Ar）は供給物から分離されず、一酸化炭素（CO）と未使用のCOとともに大気中に戻される。
2[1 ]
火星実験
酸素の生成は2021年4月20日にジェゼロクレーターで初めて達成され、5.37グラム（0.189オンス）の酸素を生成しました。これは火星の宇宙飛行士が約10分間呼吸するのに必要な量に相当します。[13] MOXIEは最大10 g/h（0.35オンス/h）の酸素を安全に生成するように設計されていましたが、[14] [4]理論上の生成量は4アンペアの飛行電源の容量が限られているため、1時間あたり12グラム（0.42オンス/h）の酸素に制限されています。 [1]生成された酸素は分析され、その後大気中に放出されました。[15]
MOXIEは、地球の約2年、火星の約1年の間に、さらに9回酸素を分離するために3段階で使用されました。第1段階では酸素の生成をさらに調査し、第2段階ではさまざまな時間帯、季節、大気条件で機器をテストし、第3段階ではさまざまな温度で酸素を生成し、動作モードを変更して生成の違いを調査します。[4]
2021年4月21日、STMDの副長官ジム・ロイターは、実験が機能しており、その結果は多くの用途があると説明し、「これは火星で二酸化炭素を酸素に変換するための重要な第一歩です。MOXIEにはまだやるべきことが残っていますが、この技術実証の結果は、いつの日か人類が火星に着陸するという目標に向かって進む上で大きな期待が持てます。酸素は私たちが呼吸するものだけではありません。ロケットの推進剤は酸素に依存しており、将来の探査者は火星への帰還のために火星で推進剤を生産することに依存することになります。」と述べた。[13]
MOXIEは合計122g（4.3オンス）の酸素を生成した。これは小型犬が10時間で呼吸する量とほぼ同じである。最も効率的な状態では、MOXIEは1時間あたり12グラム（0.42オンス/時）の酸素を98％以上の純度で生成することができた。これはNASAが当初この装置に設定した目標の2倍である。2023年8月7日の16回目で最後の稼働では、この装置は9.8g（0.35オンス）の酸素を生成した。MOXIEはすべての技術要件を無事に完了し、火星での1年間を通してさまざまな条件下で稼働したため、装置の開発者は技術について多くのことを学ぶことができた。[16]
意味合い
NASAは、MOXIEが効率的に機能すれば、約200倍の大きさのMOXIEベースの機器を、25～30キロワット（34～40馬力）を発電できる発電所とともに火星に着陸させることができると述べている。 [1]このシステムは、地球の約1年の間に、少なくとも毎時2キログラム（4.4ポンド/時）の速度で酸素を生産し、[1] 2030年代のある時点での有人ミッションをサポートする。[17] [18]貯蔵された酸素は生命維持に使用できるが、主に必要とされるのは火星上昇車両用の酸化剤である。[19] [20]例えば、4人の宇宙飛行士が火星の表面で1年間過ごすミッションでは、年間を通じて生命維持のために使用される酸素は約1トンに過ぎないと予測されたが、火星表面からの帰還ミッションの推進には約25トンの酸素が必要になる。[13]反応の副産物であるCOは回収され、低品位燃料として使用される[21]か、水と反応してメタン（CH
4）を主燃料として利用することができる。[22] [23]代替用途として、酸素生成システムは、サンプルリターンミッションをサポートするために燃料酸化剤として小さな酸素タンクを充填することができる。[24]酸素は水素と結合して水を形成することもできる。[4]
技術仕様
NASA（MARS 2020ミッション・パーサヴィアランス・ローバー）[9] CeramatecおよびOxEon Energy、[25] NASAジェット推進研究所[26]からのデータ。
- 主な仕事:火星の二酸化炭素大気から酸素を生成すること。
- 場所:ローバー内部 (前方右側)
- 質量: 17.1キログラム
- 重量:地球では37.7 lbf (168 N)、火星では14.14 lbf (62.9 N)
- 電力: 300ワット
- 容量: 9.4 インチ × 9.4 インチ × 12.2 インチ (24 cm × 24 cm × 31 cm)
- 酸素生成速度: 1時間あたり最大10グラム（0.022ポンド）
- 稼働時間：実験1回あたり約1時間の酸素（O2）生成。ミッション期間中、断続的にスケジュールされる。[ 9]
MOXIE: 運用設計ドライブ (SOXE):
- ガスフロー：O2純度とdP用に内部マニホールド
- 供給量:乾燥CO2 30～80 g/hrの範囲
- 製品:純度99.6% O 2、内部マニホールド
- 構造:打ち上げ、EDL 衝撃および振動、圧縮荷重要件に耐える堅牢性
- 電力:非常に制限されている
- 質量:最大1kg
- ボリューム:厳密に制限されている
- 動作: 20回以上の120分サイクル
- 加熱勾配:周囲温度(場合によっては -40 °C)から 800 °C まで 90 分 (約 515 °C/時間)。
- 加熱の適用：エンドプレートのみのヒーター[25]
MOXIE: 材料設計の推進要因:
- インターコネクト（IC）：粉末冶金（CFY、プランゼー）
- シール：ガラスシール
- 電流バスバー:ろう付け棒/溶接線
- 供給マニホールド:入口チューブ/内部マニホールドO 2純度
- 陽極電極： ペロブスカイト
- カソード電極:改良型独自サーメット
- 電解質：スカンジア安定化ジルコニア（ScSZ）[25]
MOXIE: セル設計:
- セル数: 10 (5 セルずつ 2 スタックに配置)
- 酸素生産量: 1時間あたり10グラム（細胞あたり1g/時間以上）[26]
- 各セルは次の要素で構成されます。
- 電解質（イットリア安定化ジルコニア（YSZ））
- 陰極
- アノード
セルの接続:
- 高クロム合金（セラミック電解質に一致するCTE）
- 約100 mm × 50 mm × 2 mm（3.937インチ × 1.969インチ × 0.079インチ）
- ガス流用のマニホールドを含む[26]
MOXIE: ガス供給システム（スクロールコンプレッサー）:
- スクロールポンプの圧縮率:最大約1バール
- スクロールポンプ回転数:低速 (2000～4000 RPM)
- 性能：入口ガス：83 g/hr、P = 7 Torr、T = 20 °C、Pin = 120 W、質量：約2 kg [26]
MOXIE: ターゲット:
- 運用サイクル：主なミッション要件は合計20サイクルの運用能力を求めている：[27]
- 10サイクルの飛行前
- 火星での10サイクル以上
- 認定および検証テスト：拡張性の証明には60回の完全な運用サイクルが必要であり、これは主なミッションで計画されているサイクル数の3倍です。[27]
- 酸素純度:寿命終了時に99.6%以上
- 温度性能: -65 °Cの耐温度で動作可能
- 圧縮、衝撃、振動の要件:
- 8kNの圧縮力に耐える
- 飛行衝撃および振動要件に対する耐性（PF）+ 3 dBレベル[25]
参考文献
- ^ abcdefghi ヘクト、M.;ホフマン、J.ラップ、D.マクリーン、J.スーフー、J.シェーファー、R.アブーベイカー、A.メルストローム、J.ハートヴィッセン、J.メイエン、F.ヒンターマン、E. (2021-01-06)。 「火星酸素ISRU実験（MOXIE）」。宇宙科学のレビュー。217 (1): 9.ビブコード:2021SSRv..217....9H。土井：10.1007/s11214-020-00782-8。hdl : 1721.1/131816.2。ISSN 1572-9672。S2CID 106398698。
- ^ Beutel, Allard (2015-04-15). 「NASA、赤い惑星を探索するための火星2020ローバーペイロードを発表」NASA。2021年2月19日時点のオリジナルよりアーカイブ。 2021年2月25日閲覧。
- ^ 「NASAの装置が火星の薄い空気から呼吸可能な酸素を抽出」アイリッシュ・タイムズ。2021年4月22日時点のオリジナルよりアーカイブ。 2021年4月22日閲覧。
- ^ abcde Potter, Sean (2021-04-21). 「NASAの火星探査機パーサヴィアランスが赤い惑星から初めて酸素を抽出」NASA。2021-04-22時点のオリジナルよりアーカイブ。2021-04-22閲覧。
- ^ Kaplan, David; Baird, R.; Flynn, Howard; Ratliff, James; Baraona, Cosmo; Jenkins, Phillip; Landis, Geoffrey; Scheiman, David; Johnson, Kenneth; Karlmann, Paul (2000)。「2001 年火星現地推進剤製造先駆体 (MIP) 飛行実証 - プロジェクトの目的と認定試験結果」。Space 2000会議および博覧会。アメリカ航空宇宙学会。doi :10.2514/6.2000-5145。
- ^ Flavell, Waryn (2021年3月15日). 「火星での酸素製造はジョンソンチームにはかなわない」NASAジョンソン宇宙センター特集。2021年4月22日時点のオリジナルよりアーカイブ。 2021年4月22日閲覧。
- ^ “nasa”. www.history.nasa.gov . 2019年7月14日時点のオリジナルよりアーカイブ。2021年4月22日閲覧。
- ^ Colombano, Silvano (2003 年 9月 23 日)。「Robosphere: 人類の惑星探査の先駆けとしての自立型ロボット生態系」。AIAA Space 2003 カンファレンス & エクスポジション。doi :10.2514/ 6.2003-6278。ISBN 978-1-62410-103-8. S2CID 17750706。
- ^ abc mars.nasa.gov. 「火星酸素現地資源利用実験（MOXIE）」。mars.nasa.gov。2021年2月27日時点のオリジナルよりアーカイブ。 2021年2月25日閲覧。
- ^ 「NASA TechPort – Mars OXygen ISRU Experiment Project」NASA TechPort。アメリカ航空宇宙局。2020年10月17日時点のオリジナルよりアーカイブ。2015年11月19日閲覧。
- ^ Brix, Lise (2015年4月26日). 「科学者たちは火星で酸素を醸造しようとしている」. Science Nordic . 2015年4月30日時点のオリジナルよりアーカイブ。 2015年5月15日閲覧。
- ^ ab 「ゲームを変える開発 火星酸素ISRU実験（MOXIE）」（PDF）。アメリカ航空宇宙局。 2020年12月3日時点のオリジナルよりアーカイブ（PDF）。2021年4月22日閲覧。
- ^ abc Potter, Sean (2021-04-21). 「NASAの火星探査機パーサヴィアランスが赤い惑星から初めて酸素を抽出」NASA。2021-04-22時点のオリジナルよりアーカイブ。2021-04-23閲覧。
- ^ 「NASAのパーサヴィアランス探査機に搭載されたMOXIEが火星に酸素を生成」。MITニュース | マサチューセッツ工科大学。2021年4月21日。2021年4月21日時点のオリジナルよりアーカイブ。 2021年4月22日閲覧。
- ^ Cody, Sara (2020年7月29日). 「忍耐と少しの勇気で、MITは火星へ向かう」. MITニュース. マサチューセッツ工科大学. 2021年5月20日閲覧。
- ^ mars.nasa.gov (2023年9月6日). 「NASAの酸素生成実験MOXIEが火星ミッションを完了」NASA火星探査。 2023年9月7日閲覧。
- ^ 火星酸素ISRU実験（MOXIE）Wayback Machineで2016年12月22日にアーカイブされたPDF。プレゼンテーション：MARS 2020ミッションと機器。2014年11月6日。
- ^ Maxey, Kyle (2014年8月5日). 「火星で酸素を生産できるか？MOXIEが解明する」. Engineering.com . 2014年11月6日時点のオリジナルよりアーカイブ。 2014年11月5日閲覧。
- ^ Thomson, Iain (2014年7月31日). 「Mars rover 2020: Oxygen generation and 6 more amazing experiments」. The Register . 2014年11月6日時点のオリジナルよりアーカイブ。 2014年11月5日閲覧。
- ^ 「最後のフロンティアで土地から生きる」2014年11月4日アーカイブ、Wayback Machineにて。NASA、2014年11月4日。
- ^ Landis, Geoffrey A .; Linne, Diane L. (2001 年 9 月～ 10月)。「火星ロケット車両、その場の推進剤を使用」。Journal of Spacecraft and Rockets。38 ( 5 ): 730–735。Bibcode :2001JSpRo..38..730L。doi :10.2514/2.3739。
- ^ Wall, Mike (2014年8月1日). 「酸素生成火星探査車が植民地化を近づける」. Space.com . 2014年11月4日時点のオリジナルよりアーカイブ。 2014年11月5日閲覧。
- ^ 「二酸化炭素電解システム用セラミック酸素発生器 | SBIR.gov」www.sbir.gov。2014年11月6日時点のオリジナルよりアーカイブ。 2014年11月6日閲覧。
- ^ Landis, Geoffrey A.; Oleson, Steven R.; Packard, Thomas W.; Linne, Diane L.; Woytach, Jeffrey M.; Martini, Michael C.; Fittje, James E.; Gyekenyesi, John Z.; Colozza, Anthony J.; Fincannon, James; Bury, Kristen M.; Dominguez, Hector; Jones, Robert; Smith, David; Vento, Daniel (2017年1月9日～13日)。その場で生成される推進剤を使用したサンプルリターン用の火星上昇機の設計研究。第10回宇宙資源利用シンポジウム。テキサス州グレイプバイン。doi : 10.2514 /6.2017-0424。
- ^ abcd J. Hartvigsen、S. Elangovan、J. Elwell、D. Larsen、L. Clark、E. Mitchel、B. MilletCeramatec, Inc/OxEonEnergy。Mars2020 MOXIEプロジェクト向け固体酸化物CO2電解スタックの開発と飛行適格性
- ^ abcd Aboobaker, Asad (2017年9月18日). 「MOXIE: 火星での酸素生成」(PDF) . NASAジェット推進研究所. カリフォルニア工科大学. 2021年5月5日閲覧。
- ^ ab Hartvigsen, Joseph; Elangovan, S.; Frost, Lyman (2018年7月8日). MOXIE開発主導のISRUおよび大気再生の展望(PDF)。第48回国際環境システム会議。
外部リンク
ウィキメディア・コモンズには、火星酸素ISRU実験 (MOXIE)に関連するメディアがあります。
- 公式サイト