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研究种类：Space Exploration，Mars Oxygen
原文作者: LJEFFREY A. HOFFMAN, etc
创作者：hahaho@DAOrayaki.org
审核者：Sleepy Girl@DAOrayaki.org
原文: Mars Oxygen ISRU Experiment (MOXIE)—Preparing for human Mars exploration
引言
MOXIE（火星氧气原位资源利用（ISRU）实验）是第一次在地外行星上实验ISRU技术，它通过固体氧化物电解火星大气中的二氧化碳来制造氧气。一个足够大规模的MOXIE可以帮人类更可持续的探索火星，我们不必再耗费数百吨燃料从地球运送氧气至火星，只需在火星表面就可以现场制造所需氧气。从2021年2月到2021年底，MOXIE已经制造了七次氧气，并将继续不间断的制造氧气。本文回顾了MOXIE所取得的成就以及对更大规模制氧系统的影响。
介绍
什么是火星氧气原位资源利用实验？
原位资源利用 (ISRU)这一术语描述了在其他行星体（除地球外）上收获和加工当地资源的过程。同时MOXIE（火星氧气ISRU实验）也是ISRU技术在地外星体上的首次使用。NASA在毅力号漫游车内进行了MOXIE实验，成功地从二氧化碳（占火星大气构成约95%）中制造了氧气。
图1显示了MOXIE的剖面图，Hecht等人（1）对其进行了全面描述。MOXIE通过集尘HEPA过滤器收集火星大气，通过涡旋泵压缩大气，将其加热到800°C，并将其送入固体氧化物电解（SOXE）组件，其中的二氧化碳流过镍基催化阴极分解成氧离子和CO。稳定的氧化锆陶瓷电解质选择性地将氧离子传递到阳极，并重新结合成O2，在释放到火星大气之前，会对其数量和纯度进行测量。阴极废气是CO2、CO和惰性气体的混合物（主要是氩气和氮气）。
为什么选择ISRU，为什么选择MOXIE？
许多关于火星任务的分析（2-5）都建议使用火星本地资源制造火箭推进剂，作为将乘员送离火星的上升飞行器的燃料。一个由氧气-甲烷推进的六人火星上升飞行器（MAV），总质量估计为50吨，其中约31吨是氧气，约9吨是甲烷（5）。虽然所有的MAV推进剂都可以从地球带到火星，但鉴于目前技术，火星上的每一吨燃料需求都对应着近地轨道的12到13吨成本（6，7）。也就是大概需要向地球轨道发射约500吨的推进剂，才能为每次火星任务提供足够的MAV推进剂，这阻碍了探索的可持续。幸运的是，氧气可以从富含二氧化碳的火星大气中制造，其表面大气压仅为5至10mbar之间。
水冰也是火星上制造燃料和氧化剂的潜在资源。除了裸露的极地水冰层沉积物，南北纬50度以内的大部分火星被永久冻土覆盖（8），甚至可能远至赤道40度以内（9）。残存的冰块可能在较低的纬度存在2（10），即使在赤道纬度也可以从水化土壤中提取水（11）。水和二氧化碳可以作为反应物，为MAV生产甲烷和氧气。但需要先进行采冰作业，融化冰，净化水，并将其运送到MAV附近进行推进剂生产。相比之下，大气中的二氧化碳可以在任何地方获得。由于氧气占MAV推进剂质量的78%，在火星上生产氧化剂的同时，仍可以从地球上携带燃料，直到可以建立采矿作业获得水为止（5）。
一个类似MOXIE的系统，按比例放大几百倍（2到3公斤/小时的氧气产量，而MOXIE是6到8克/小时），可以制造足够的氧气，提前为26个月后到达的机组人员准备。制造氧气是人类探索外太空的关键步骤，需要事先在实际火星环境中进行验证，因此NASA相关的技术准备度是9级。这是MOXIE的第一个目的，即证明该系统是否可以在实际的火星环境中成功运行。第二个目的是发展此类型ISRU系统的科学和操作知识，为未来更大规模的系统设计提供帮助。
MOXIE对机动性没有要求，所以毅力号是MOXIE最早的实验机会。但在漫游车内运行时受到了体积、热量和功率的限制，所以在MOXIE的设计中不得不作出妥协。下文将讨论这些妥协的影响和对未来更大规模的MOXIE型系统的建议。
结果
历史运行数据
McClean等人（12）为规划、测试和执行新MOXIE开发了架构。从2021年2月着陆在火星的耶泽罗撞击坑到2021年底，MOXIE制造了七次氧气。这些运行周期（OCs）在表1中进行了总结。但无论是否制造氧气，MOXIE每次进行加热循环时，OC数字都会递增。前七个周期，即飞行模型（FM）OC1至OC7是在地球实验室进行的，作为飞行前测试和评估的一部分。FM OC8是一个没有产生氧气的加热循环检查。
MOXIE的一个目标是证明其在所有火星季节的白天和夜晚都能成功运行，以追求在面对大气压力和温度变化时的稳定性。图2预测了毅力号着陆点整个火星年的昼夜最大（夜间）及最小（白天）大气密度（13）。叠加的是MOXIE在2021年进行的七次产氧运行。一次运行将被安排在年度最大密度期间，在图2中显示为一个星号。其他运行将间隔在最小和最大的极值之间。
在火星上运行
电解反应的Nernst电位（VN）是指超过该反应可启动的电压。为了安全地制造氧气，MOXIE必须在高于VN的电压下进行产氧反应，即VN(2CO2 → 2CO + O2)，并在低于VN的电压下形成碳，即VN(2CO → 2C + O2)，两者都取决于反应物的分压和温度（1，12）。必须避免后一种情况，以防止SOXE阴极的结焦（碳沉积），可以通过减少电池的活性面积提高电池的电阻，但可能使阴极断裂，导致无法制造氧气。实验室和火星上的经验表明，只要充分注意这些限制，MOXIE的电解堆可以在许多周期内安全运行。
图3显示了在800°C的工作温度下，两个Nernst电位作为气体摄入量和氧气产生量的函数。两个圆圈和浅色的垂直线表示参考区间条件，即55克/小时的进气量和6克/小时的产氧量（见下文对一般运行的讨论）。图3中深色箭头表示的是安全操作区，假设是名义操作条件。为了确保在这个区间内运行，用于控制MOXIE的参数在每次在火星上运行之前，都要使用经过充分的工程模型（EM）验证。除了Nernst电位控制的结焦之外，在CO产生使整个气体混合物还原之前，阴极入口处的镍也有被氧化的潜在风险。然而，这一点情况可以缓解，即将富含CO的阴极排气中的约6%再循环到进气口，以防止镍的氧化。
Nernst电位对温度也表现出相当大的敏感性。例如，将工作温度降低30°C会降低VN（2CO → 2C + O2）并提高VN（2CO2 → 2CO + O2），有效地将安全电压区降低0.027 V。温度升高也同样扩大了安全电压区。在烘箱中进行的SOXE的初步测试表明，800°C的工作温度是高效运行和损坏热敏材料的风险之间的最佳折衷。然而在毅力号内部，由于体积和功率的限制，无法使用烘箱，因此，MOXIE的SOXE是由位于电解堆顶部和底部的两个加热板加热的，其两侧部分覆盖着绝缘层。这种配置导致堆栈中心的较冷电池和靠近加热器的较热电池之间的热梯度高达10°C。较冷的电池具有较高的电阻和较小的安全电压区，因此结焦的风险更大。MOXIE运行是保守的，假设中间电池的温度最差（最低），并据此设置电压，较热的电池将因此不会以最大潜能产生氧气。
常规运行
FM OC9至OC13的运行是在半年一次的高密度季节（北半球春季）进行的。FM OC14是在大气密度下降时执行的，而OC15是在接近年度最低密度时执行的。OC10、OC11、OC14和OC15是常规运行，除了运行的时间和季节性的大气密度外，基本上是相同的。通用的MOXIE运行从参考段开始，McClean等人（12）进行了描述，其中MOXIE的压缩机被设定为每分钟旋转一圈，计算出每小时向系统输入55克火星大气（55克/小时是MOXIE的压缩机在3500转/分的最大转速下，在年度大气密度最低时的最大可靠摄入量）。参考段从16分钟的平衡步骤开始，使用2-A的电解电流（6克/小时的氧气），在此期间，内部工作温度稳定下来。接下来是3.5分钟的1.6A和1.2A的步骤（分别为4.8和3.6克/小时的氧气），提供电压-电流（V-I）扫描，以确定SOXE的内阻这一重要的仪器参数。电流恢复到2A，结束参考段。在每次MOXIE运行开始时运行相同的参考段，可以跟踪MOXIE性能的变化。图3中指出了55克/小时的摄入量和6克/小时的点。
MOXIE软件允许指定通过堆栈的理想电流（电流控制模式，提前设定产氧率）或指定堆栈顶部和底部的理想电压（电压控制模式）。本文所描述的所有运行都是在电流控制模式下进行的，在这种模式下，反馈回路会调整烟囱电压以获得所需的电流。从上述V-I扫描中获得的堆栈内阻估计值被用来预测所需的电压，以确保操作保持在安全电压区域内。电压控制的运行计划在未来进行。
在参考区间之后，一个通用的MOXIE运行将压缩机提高到3500rpm的最大速度，实施另一次V-I扫描，然后将电流设置为该最大气体摄入量的尽可能高的值，同时保持估计的电解电压至少低于碳形成的Nernst电位0.1V。在运行结束时，将压缩机速度和电解电流重置5分钟，使其达到参考段中使用的数值，以比较运行开始和结束时的系统行为。
诊断运行
除了刚才讨论的一般运行，还进行了两次诊断运行，以阐明与确定电池上的实际电压和评估O2产品的纯度有关的不确定性。FM OC12被设计用来估计连接MOXIE电压控制电路和组成SOXE的电解池堆的薄型铬镍铁合金导线的电阻（RL）。由于绕组和安装的不确定性，RL只是近似已知的，这导致应用于每个电池的电压的估计不确定性为±15 mV，在图3中显示为垂直误差，相当于参考段中每个电池约170 mV的安全电压区的>15%。
SOXE使用一个由10个电解池组成的堆栈，用一个中心抽头串联电气线路，这样它们可以被控制为两个五池堆栈，被称为顶部（T）和底部（B）。对早期MOXIE运行的分析表明，与T相比，在B中获得指令电流所需的电压更高，这可能表明B的退化。然而，由于电压是在电源处直接测量的，这种差异也可能是由于T和B之间RL的差异造成的。FM OC12诊断运行利用了这样一个事实，即堆栈电阻对堆栈温度（TS）的微小变化高度敏感，而RL则不敏感。通过改变TS而保持其他参数不变，有可能准确地估计RL(T)和RL(B)之间的差异，并确认堆栈之间的大部分电压差异可以由两者之间约50毫欧的电阻差异来解释。
FM OC13探讨了氧气纯度与相对阳极和阴极压力之间的关系，这是一个关键指标，因为对于推进剂和呼吸氧来说，建议纯度大于99.6%。原则上，只有氧离子应该穿过电解质，而氧气的流速取决于电流，如上所述，不考虑阴阳极之间的任何压力差。然而所有10个电解层的阴极进气口和排气口以及氧气排气口的歧管是共同的，需要大量的连接密封，而且在调频和电磁的某些条件下，已经观察到阴极和阳极之间有少量的泄漏。这种交叉流可以向任何方向发展，并取决于阴阳极的相对压力。氧气的纯度受到渗入阳极的二氧化碳的影响，因此确定交叉流对阴阳极压差的敏感性是很重要的。
主要的阴极气体是CO2和CO。如果CO在800°C时泄漏到阳极中，它将迅速被氧化成CO2；因此，对阳极中杂质的关注仅限于CO2对氧气的污染。纯度由商用非分散红外（NDIR）二氧化碳传感器确定，该传感器监测阳极排气中的微量二氧化碳（0-5%）。这是四个特定气体传感器中的一个。二氧化碳和一氧化碳NDIR传感器监测阴极气体中二氧化碳的利用情况，一个发光型O2传感器监测阳极气体。除了测量目标气体的分压外，由于光谱线的压力增宽，NDIR传感器对总气体压力极为敏感。MOXIE的传感器是为在地球环境条件下运行而设计的商业产品。光谱展宽效应的特性很差，需要大量的校准。为了减少质量、体积和复杂性，阴极和阳极流道配备了被动粘性流量控制装置，而不是真正的压力调节器。因此，FM OC13被设计为通过设置固定的电解电流，来保持几乎恒定的总阳极压力，同时通过增加压缩机速度来提升阴极压力。
图4显示了得出的O2纯度作为相对阴极过压/欠压的函数，∆P，作为名义阳极压力PAEx的一部分，其中X轴的值是由阳极和阴极排气口的压力传感器得出的，分别为PAEx和PCEx。由于系统中存在过滤器、热交换器和SOXE本身造成的压降，阴极本身的实际压力可能比PCEx高10%，这取决于泄漏路径的精确位置。此外，阴极压力在压缩机的旋转频率下振荡，其振幅可能代表额外5%的压力，同样取决于泄漏位置。这种不确定性解释了为什么即使在∆P=PCEx-PAEx的标称值为负值时，也能看到一些杂质（阳极排气压力大于阴极排气压力）。
与真正的阴极压力和PCEx的差异相比，真正的阳极压力更接近于PAEx，因为阳极气体流速通常比阴极中的流速小10倍，而且不受振荡影响。正如预期的那样，图4显示，当阳极压力保持在阴极压力之上有足够的余量时，二氧化碳的杂质水平是不可估量的小。虽然当阴极压力超过阳极压力时，会出现少量的二氧化碳交叉，但这对SOXE的运行没有其他不利影响。灰色区域代表阳极二氧化碳传感器校准的不确定性。
交叉流的数量随每个单元的不同而变化；在FM中，它比EM中大几倍。图4显示，随着阴极到阳极超压的增加，氧气纯度迅速下降。然而，如果系统以足够高的氧气生产速率运行，那么阳极压力将足够高，以避免二氧化碳污染。因为按比例放大的MOXIE型系统将为可用的二氧化碳摄入量生产最大数量的氧气，阳极压力将始终超过阴极压力，从而产生纯氧。请注意，在相对较低的阴极压力下运行还有其他好处，包括大大节省压缩机的功率，以及在氧气生产和有害的碳生成的阈值电压之间有更大的分离。
MOXIE运行中的退化情况
细胞性能的主要指标是细胞电阻，这里指定为iASR（内在区域特定电阻（欧姆-厘米2）），它由I-V关系决定。因为电流与产氧率成正比，而电压需要保持在由VN决定的范围内，所以iASR决定了在任何时候都能安全生产的氧气量。
图5显示了在火星上运行期间测量的顶部和底部调频MOXIE堆的iASR的演变。在地球上进行的七次产氧运行中，iASR相对快速地从低于0.75欧姆-平方厘米的初始值上升到观察到的约0.9欧姆-平方厘米的高原。这种行为是所有MOXIE堆栈的典型特征，可以被认为是一个磨合期。FM OC8是对登陆火星后的加热周期的测试，在此期间没有产生氧气。正如在原型堆中所看到的那样，在燃烧期之后，iASR随着每个循环的进行而略有增加。在为未来的任务选择电解堆时，MOXIE的经验表明，在选择用于飞行的单元之前，电解堆应至少运行7个周期以度过烧毁期。
按照观察到的增长速度，MOXIE有望在60多个周期内满足额定要求（6克/小时，55克/小时的二氧化碳摄入量）。以前的实验室测试表明，是周期间的冷却和加热，而不是氧气生产过程的启动和关闭导致了这种退化，这表明它可能与不同的热应力有关。虽然进一步确定周期间退化的原因是有意义的，但预计一个全面的、持续运行的MOXIE型系统不会遭受超过几个这样的热循环，因此更重要的是确定长时间运行在多大程度上可能导致退化。由于毅力号探测器的能源限制，这项调查将需要在实验室进行。
讨论
对未来大气层ISRU系统的影响
MOXIE是通向支持人类探索的系统的第一步。本文所描述的操作表明，MOXIE顺利实现了第一个目标：在所有的火星季节中进行白天和夜间的氧气制造，且性能上没有过大的差异，超出了预期大气密度变化。第二个是为未来规模化系统的设计提供信息，将通过在地球上进行实验室实验和分析MOXIE在火星上的长期行为来实现。规模扩大的系统可能会出现在MOXIE没有出现的问题，但从MOXIE的建造和运行中已经学到了许多与未来系统相关的东西。在截至2021年的七次氧气制造中，MOXIE成功地生产了约50克氧气，并明确地证明它满足了氧气生成率和纯度的要求，尽管在质量、功率、体积和成本方面受到了严重限制，在设计上还是有所妥协。在测试火星昼夜和季节性环境的性能方面，已经有了一个坚实的基础。诊断基准线已经建立（包括使用麦克风来描述机械压缩机的特性），并且已经开发和验证了用于现场诊断和校准的新技术。
在上述MOXIE的设计妥协中，有以下几点：使用固定孔径代替压力调节器。烟囱热控制能力的妥协导致大量的热梯度和滞后，大大简化的指挥和控制系统，传感器测量和自我校准能力有限，以及需要在每次运行中进行完整的热/冷循环的间歇操作。所有这些责任都将在未来扩大的系统中得到解决。
适合这种小规模示范的一些技术在全面实施中可能会降低效率和效果。例如，虽然机械涡旋式压缩机对MOXIE的小尺寸和间歇性运行机会来说是一个有效的解决方案，但全轴向、叶式或离心式压缩机可能更适合于一个全面的系统。另外，在气、液、固三相之间循环的低温泵送系统可能与作为最后推进剂生产阶段的液化过程有协同作用。应研究对阴极微观结构或材料选择的修改，以增加对氧化的抵抗力。
MOXIE和未来系统之间的一个重要但不可避免的区别是MOXIE操作的偶然性和间歇性，它在每个加热循环中对材料施加了巨大的热应力。减少周期间的SOXE降解是一个主要的开发重点，到目前为止在火星上的操作表明，结果是非常成功的。同时，毅力 号的能量限制不允许在系统和部件层面上测试支持人类任务所需的数千小时连续运行的寿命，这些测试计划作为正在进行的实验室项目的一部分。偶尔运行的另一个微妙的结果是，它比连续运行更不依赖自主控制。在两次运行之间有充足的时间，例如，估计大气条件并相应地调整压缩机速度。一个全面的氧气生产厂将需要一个复杂的监测和控制系统，以应对火星大气的日常和季节性变化，以及工厂本身性能的变化。这不仅需要先进的、适应性强的软件，还需要能力更强的处理器和更广泛、更强大的气体流量、反应物浓度、单个电池电压、压力和温度的自校准传感器。
MOXIE表明，在火星上从大气层中生产氧气的SOXE技术是可行的，是可扩展的，并且符合对效率和质量的期望，尽管长期的耐久性和适应性仍有待于在 毅力 任务的剩余时间内证明。未来的工作需要强调加强监测和控制能力，同时提高SOXE对碳形成的稳定性，但所有的迹象表明，MOXIE的扩大版本可以生产足够数量的氧气，并具有一定可靠性，以支持未来的人类探索。
参考文献和注释
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