在距離地球近 1.5 億千米的那顆塵土飛揚的紅色星球的表面，一個只有飯盒大小的儀器，正在證明它能夠可靠地完成一棵樹的工作，那就是制造氧氣。

自 2021 年 4 月以來，也就是MOXIE（火星氧氣原位資源利用實驗）作為 " 毅力號 " 火星車的一部分降落到火星表面兩個月之后，它一直利用火星富含二氧化碳的大氣中制造氧氣。

毅力號上的科學(xué)儀器。右下角示意圖中黃色部分便是 MOXIE。（圖／NASA）

在發(fā)表在《科學(xué)進展》上的一篇論文中，研究人員報告，到 2021 年底，MOXIE 在各種大氣條件下，包括在白天和晚上，以及在不同的火星季節(jié)，進行了 7 次實驗性的氧氣生產(chǎn)。在每次運行中，儀器都達到了每小時生產(chǎn)約 6 克氧氣的目標，大約相當于地球上一棵小樹的制氧速度。

用火星空氣制氧

目前版本的 MOXIE 設(shè)計得很小，質(zhì)量不到 20 千克，以便它被安裝在毅力號上。

潔凈室里的 MOXIE。（圖／NASA/JPL-Caltech）

盡管目前的設(shè)計存在一些必要的妥協(xié)，但這臺儀器已經(jīng)表明，它能可靠且有效地將火星大氣轉(zhuǎn)化為純氧。

它的做法是，首先通過一個過濾器，將火星空氣吸入，清除其中的污染物。然后空氣被加壓，并被送入固體氧化物電解槽（SOXE），通過電化學(xué)方法將富含二氧化碳的空氣分解成氧離子和一氧化碳。

接下來，氧離子被分離并重新組合，形成可供呼吸的分子氧。MOXIE 會測量分子氧的生成量和純度，然后將它與一氧化碳和其他大氣氣體一起無害地釋放回空氣中。

目前，MOXIE 僅需滿足短期運行。根據(jù)研究團隊安排的探測時間表，它在每次運行的前后都會啟動和關(guān)閉。

自 2021 年 2 月著陸以來，MOXIE 的工程師在一個火星年中啟動了 7 次儀器，每次都需要幾個小時來預(yù)熱，然后再花一個小時來制造氧氣，最后再關(guān)閉電源。

每次運行被安排在白天或晚上的不同時間，以及不同的季節(jié)，以便觀察 MOXIE 是否能適應(yīng)這個星球大氣條件的各種變化。這是因為，火星的大氣比地球的要多變得多。空氣密度在一年中可以產(chǎn)生大約 2 倍的差異，溫度也會有數(shù)十度甚至更高的波動。

毅力號著陸點的大氣密度變化預(yù)測。（圖／Hoffman, J. A. et al., 2022）

到目前為止，MOXIE 已經(jīng)證明，它幾乎可以在火星一年里的任何季節(jié)、一天中的任何時間制造氧氣。團隊唯一還沒有證明的是，儀器在黎明或黃昏時運行的狀況，這兩個時段溫度正在發(fā)生明顯變化。他們有信心可以做到這一點，一旦實驗室測試完成后，就可以達到最后這個里程碑。

邁出的第一步

隨著 MOXIE 繼續(xù)在火星上制造氧氣，工程師正計劃提高它的能力，增加產(chǎn)量，特別是在火星的春季，當大氣密度和二氧化碳水平較高時。

下一次運行將被安排在火星一年中密度最高的時候。團隊會把一切都設(shè)置得盡可能高，并讓它盡可能長時間地運行。

同時，他們還將監(jiān)測這一系統(tǒng)的磨損跡象。由于每次運行都需要開啟和關(guān)閉，這有可能讓系統(tǒng)退化。

MOXIE 只是一個測試模型，研究人員設(shè)想，它的放大版可以在人類任務(wù)之前被送往火星，而且最好可以連續(xù)運行，以幾百棵樹的制氧速度持續(xù)生產(chǎn)氧氣。

在這種能力下，這個系統(tǒng)應(yīng)產(chǎn)生足夠的氧氣，能維持人類到達后的生活，并為火箭提供燃料，讓航天員返回地球。到目前為止，MOXIE 的穩(wěn)定輸出是朝著這個目標邁出的有希望的第一步。

MOXIE 在火星上生產(chǎn)氧氣也代表了 " 原位資源利用 " 的首次展示，這種想法其實就是，收集并利用一顆星球上的材料（對 MOXIE 而言就是火星上的二氧化碳），來制造出原本不得不從地球上運輸來的資源（氧氣）。

也就是說，這是第一次實際利用另一顆行星表面的資源，并利用化學(xué)轉(zhuǎn)化為對人類任務(wù)有用的東西。從這個意義上說，這項實驗是歷史性的。