MOXIEを使ってパーセベランスは火星で酸素を作ろうとする

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パーセベランス探査車の内部には、光り輝くトースターほどの大きさの装置が搭載されている。この装置は、火星の古代生命の痕跡を探すというミッションの主目的とはまったく関係がなく、技術的にはまだ試作品だが、この装置は探査車の中で最も要求の厳しい部品の 1 つとなっている。

スイッチを入れると、この光り輝く装置はパーセベランスの電力のほぼ3分の1を消費し、非常に高温になるため、開発者は27億ドルの機械に損傷を与えないように、最もよく知られている断熱材の1つで装置を囲まなければならなかった。それでも、このプロトタイプの背後にいる科学者たちは、実地テストから得られる経験がプロジェクトのコストをはるかに上回ると確信している。

「主要な火星ミッションはすべてこれにかかっています」と、MITの研究者でこの実験の主任研究者であるマイケル・ヘクト氏は言う。さらに、「人々の命がかかっているもの」になる可能性もあると付け加えた。

この金色の箱は、火星酸素原位置資源利用実験（Mars OXygen In-situ resource utilization Experiment）、略してMOXIEと呼ばれている（ボストン出身のヘクト氏は、ニューイングランド中で悪名高いマサチューセッツ州生まれのソーダに敬意を表してこの名前を選んだ。また、2017年にはメイン州の毎年恒例のMOXIEパレードで総司令官を務めた）。MOXIEは機械の木のような働きをすることを目指している。火星の大気から二酸化炭素を吸い込む。火星の大気は地球の約100倍の密度だが、ほぼ完全にCO2でできている。次に酸素を吐き出す。今回のミッションでは酸素を大気中に戻すが、次回は宇宙飛行士を地球に帰還させる燃料タンクに入れるかもしれない。

ヘクト氏のチームは、おそらく今後火星の1年（地球の2年）の間に12回ほどMOXIEを作動させる予定で、その間に1時間あたり6～10グラムの酸素が生成されると予想している。これは子犬を育てるのに十分な量だ。このミッションの主な目的は、この技術が埃まみれの砂漠の惑星で機能することを実証することだ。「実験室では機能しても、現場では機能しないものはいろいろあります」とヘクト氏は言う。「地球上でも、私たちは常にその教訓を学んできました」

最大の懸念は、MOXIE が火星の非常に変化に富んだ環境にどう対応するかだ。日没後は気温が華氏 150 度以上も下がることがあり、空気の密度に多大な影響を与える (風船を冷凍庫に入れ、しぼんでいく様子を観察してみてほしい)。また、毎年冬になると極地が極寒となり、二酸化炭素が凝縮してドライアイスとなって地面に落ちるため、大気の 3 分の 1 が消失するという不都合もある。

火星から打ち上げるのに必要な何千ポンドもの酸素を製造するには、将来的にはプロトタイプより何百倍も大きな容量を持ち、少なくとも丸1年間は休みなく稼働し続ける超大型のMOXIEが必要になるだろう。

「空気が薄くても濃くても、寒くても暑くても、埃っぽくても、どんな状況でも作動できることを示したいのです」とヘクト氏は言う。

研究者たちはまた、MOXIE を最適に操作する方法を解明することを目指している。これは、単に電源を入れて出力を瓶詰めするよりも複雑である。この機械は本質的に燃料電池の反対である。燃料電池とは、化学燃料を受け取り、酸素含有化合物 (H2O) とともに電気を返す、特定のプロトタイプ車両のエンジンである。MOXIE は、代わりに、パーセベランスが節約できるすべての電気と酸素を豊富に含む化合物 (CO2) を受け取り、熱と電気エネルギーを使用して二酸化炭素を一酸化炭素ガス (CO) と酸素 (O) に分解する。

少なくとも、それが理想的なケースです。マシンをあまりに穏やかに動かすと、CO2 はそのまま通過し、内部のニッケル部品を錆びさせます。しかし、あまりに激しく動かすと、熱心すぎる MOXIE が両方の酸素を奪い取ります。これは問題です。無色の CO ガスの代わりに、突然、むき出しの炭素原子の束に対処しなければならなくなり、それが煤となってマシンを詰まらせます。エンジニアの間ではコーキングと呼ばれる問題です。

「ある意味、MOXIEの敵がコカインだというのは面白いと思うよ」とヘクト氏は冗談を言う。

このミッションでは、チームは MOXIE を手作業で調整し、CO2 の取り込み量、使用する電圧、到達温度を微調整して、コークス化や錆の発生を防ぐ。しかしヘクト氏は、将来のバージョンでは、宇宙飛行士が確実に帰還できるよう、MOXIE を適切に管理するために人工知能が必要になると予想している。

パーセベランスは、貴重な積荷の一部を将来の有人探査に向けた直接的な準備に充てた初の火星探査車であり、これは何年も前から計画されていた戦略的な転換である。

NASA の有人探査推進部門は、数十年にわたり火星に関して 4 つの重要な疑問を抱いてきた。放射線はどのようなものか、塵はどの程度機器に干渉するのか、重い宇宙船を火星に着陸させるにはどうすればよいのか、そして宇宙飛行士は赤い惑星の資源を活用して地球から運ぶ荷物を軽くするにはどうすればよいのか、である。NASA は 2013 年から、この 4 番目の疑問に答えるためにパーセベランスを使用する計画を立てていた。

「最初に提案を募集していた頃、彼らは『人類による探査に備えて、この一部を切り離すつもりだ』と言っていました」とヘクト氏は言う。

NASA は、15 年から 20 年以内に開始される可能性のある有人火星ミッションの詳細をまだ確定させていないが、ほぼすべての提案は、火星で酸素を生産できることを前提としている。そうでなければ、十分な量の推進剤 (その 4 分の 3 は酸素) を火星に持ち帰るのは不可能だ。人間 (およびペットの子犬) が呼吸できる空気があるのも嬉しいボーナスだ。

つまり、次に地球を離れる MOXIE は本物になる可能性があり、フルサイズ版の作業は順調に進んでいる。MOXIE の開発に携わる多くの機関の 1 つであるユタ州の OxEon Energy は、1 時間あたり 2 ポンド以上の酸素を送り出すことができる次世代プロトタイプ装置のテストをすでに行っている。「これを 2 台か 3 台組み合わせれば完成です」と Hecht 氏は言う (ただし、それらを動かすために必要な原子力発電所の設置は別の問題である)。

今のところ、MOXIE チームは小さなステップに集中しています。パーセベランスの着陸後、彼らは 1 つのコマンドでチェックインしました。ありふれた通信障害により、期待していたすべてのデータを受け取ることができませんでした。しかし、金色の箱が恐ろしい着陸を生き延びたことを示す簡単な応答を得ることができ、全員が少し安心しました。

「これは我々が成功したことを物語るのに十分でした」とヘクト氏は言う。「一つの惑星から別の惑星へ旅したばかりの人間にとって、これは決して些細な成果ではありません。」