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凭借毅力和一点点勇气,麻省理工学院(MIT)将登上火星

7月30日,一个为期两周的机会之窗为坚持不懈的人打开了——最新的火星漫游者,在人类的好奇心的精神下打造——开始了它的旅程,在佛罗里达州东部海岸的卡纳维拉尔角航天发射中心发射。在麻省理工学院的帮助下,美国宇航局这次最新的任务将在之前的火星漫游实验室的基础上,对火星上生命的问题进行比以往更深入的探索。

火星目前的状态是不适宜居住的;地表布满灰尘,唯一可用的水是在两极附近冻结的,在地下深处,或者与土壤紧密结合,必须在烤箱中烘烤才能提取出来。这里的空气让人无法呼吸,稀薄的大气在保持零下81华氏度的平均温度的同时,还会带来令人担忧的辐射。然而,在过去的某个时候,它可能看起来更像地球,可能更适合生命生存。

坚持不懈的目标——更大的“火星2020”任务的一个标志性组成部分——是探索过去的宜居性问题,描绘环境特征,并帮助为未来的人类探索铺平道路。七个实验之一在火星探测器将专门解决未来人类任务:勇气,简称火星氧气原位实验资源利用率,将帮助我们准备第一个任务的证明火星上我们可以使自己的氧气用于火箭推进剂和船员呼吸当宇航员探险家到达那里。MOXIE是由麻省理工学院草垛天文台和麻省理工学院航空航天系(AeroAstro)的研究人员,以及美国宇航局喷气推进实验室(JPL)的工程师共同提出和开发的。

麻省理工学院在使命的其他方面也很有代表性。毅力会带来一套精密的系统,用来挑选、取心、贮藏和保存岩石和土壤样本,以备将来某一天带回地球。来自麻省理工学院地球、大气和行星科学系(EAPS)的地球生物学副教授坦尼亚·博萨克(Tanja Bosak)和行星科学教授本·维斯(Ben Weiss)将参与该系统的研究,帮助科学家们选择从火星表面收集和分析哪些样本。Ariel Ekblaw是媒体艺术和科学专业的研究生,也是麻省理工学院媒体实验室太空探索计划的创始人和领导者,他在一个夏天为喷气推进实验室的一个漫游者实验做出了贡献,这个实验将寻找过去微生物的证据。

小机械树

在2015年的电影《火星救援》中,马特·达蒙饰演的宇航员马克·沃特尼被困在火星上,他在这片红色星球上生存了很长一段时间,与他的宇航员们协调了一次会合救援任务。这是就地资源利用(ISRU)的基本原则,而MOXIE代表了实现ISRU的重要第一步。

“不仅人类需要氧气呼吸,火箭也需要氧气呼吸。如果你在燃烧燃料,你需要氧气来消耗它,”Michael Hecht说,他是MOXIE的首席研究员和麻省理工学院海堆栈天文台的研究主任。“氧气罐之所以是航天舱单上最重的物品,是有原因的。”

发射需要大量燃料:推动航天器脱离地球的引力需要大量能量,而返回地球则需要从头再来一遍。更重要的是,在一个精心校准的宇宙飞船中,用于运输特定任务所需氧气的重型容器占据了宝贵的空间。这就是ISRU方法的用武之地。

“与其带上它,为什么不等到我们需要它的时候再去呢?”赫克特说。“火星上存在氧气,只是不是我们可以利用的那种形式。所以这就是我们试图用MOXIE解决的问题。”

氧的一个潜在来源是存在于火星表面下的冰。但是开采这片冰需要复杂的机械设备,而且挖掘和钻探的物理行为会对设备造成严重的磨损,这在维修人员远在另一个星球的情况下是一个问题。值得庆幸的是,还有另一种潜在的资源,该团队可以利用它来产生氧气:大气层。

赫克特说:“使用采矿的方法,你必须开采冰,提炼和处理它,释放氧气,再把它带回来,这是我们无法通过机器人完成的,尤其是在我们的空间限制的情况下。”“我想找到一种更简单的方法。火星大气中大约96%是二氧化碳,所以我们建造了一棵小型机械树,因为这比建造一个小型、自给自足的采矿公司容易得多。”

MOXIE的目标是:收集火星空气中丰富的二氧化碳,将其转化为氧气,并测量氧气的纯度。吸入火星空气后,该系统过滤、压缩粉尘,然后将其送入固态氧化物电解槽(SOXE)。固态氧化物电解槽是吸收加压二氧化碳并利用电和化学的结合将分子分解为氧气和一氧化碳的关键元件。氧气的纯度被分析,然后氧气被释放回火星大气中。

目前的计划是在整个任务期间在尽可能多的不同季节和环境条件下至少进行10次产氧作业。由于强烈的能量运行勇气所需的实验中,研究小组将协调与其他研究人员,他们将不得不关闭期间精力几小时的运行时间,然后等待大部分火星的一天(称为溶胶)毅力的电池充电。这些数据将被送回麻省理工学院的一个实验室,在那里对MOXIE的性能进行分析。

组装团队

2013年,美国宇航局呼吁在特定参数范围内为2020年漫游者进行产氧实验。尽管赫克特在喷气推进实验室工作了30年,致力于凤凰号火星着陆器任务,但当他在2012年搬到麻省理工学院干草堆天文台工作时,他并没有期望再成为一名“火星人”——他认为他永远不会再和火星打交道了。但是他以前的JPL同事不同意他的观点,并请他作为主要研究者来领导这项实验。据赫克特说,即使在他签约之后,他也认为这个项目的可能性很小,但在2014年7月,他和他的同事得到消息,他们得到了这个项目。

“美国宇航局其他实验室的研究人员有一个巨大的领先优势和许多技术遗产。莫克西的选择对我来说是一个巨大的惊喜,”赫克特说。“由于这次任务是以人为中心的,我知道我们必须在人类探索界建立真正的信誉,我们不仅仅是在找借口做一些有趣的科学研究。那么,我们如何让他们相信我们是真实存在的,我们想要帮助人类探索呢?我花了五分钟才想起杰夫·霍夫曼。”

霍夫曼是麻省理工学院航空航天专业的教授,他肯定对人类太空探索有所了解。在他作为美国宇航局宇航员的职业生涯中,他经历了5次太空飞行中的4次太空行走——包括1993年修复哈勃太空望远镜的第一次救援/恢复任务。

除了霍夫曼在载人航天方面的丰富经验外,他还与赫克特有另一种联系:赫克特是霍夫曼的第一个研究生顾问,当时他是麻省理工学院的一名新研究员,1978年赫克特被召入宇航员项目,并在美国宇航局(NASA)工作。他于2001年回到麻省理工学院任教,除了担任MOXIE的副首席研究员之外,他还在麻省理工学院指导人类系统实验室,并教授有关人类航天系统的课程。

霍夫曼说:“与以前的研究生作为同事合作是一件很棒的经历,尤其是在MOXIE这样的项目中,因为这表明研究生对于一个完整的故事中的研究过程是多么重要。”“不仅研究生要为一个项目进行日常工作,我们还在培养下一代人,他们不仅要探索火星,还要探索整个太阳系。”

航空航天专业的博士生埃里克·辛特曼SM '18和玛雅·纳斯尔'18自2016年开始加入MOXIE团队,当时辛特曼正在攻读硕士学位,而纳斯尔作为航空航天专业大三学生正在进行一个与MOXIE相关的研究项目。

在她的硕士论文中,纳斯尔重点研究了在模拟火星环境的不同压力、温度和条件下对MOXIE单元的传感器进行校准。她的师父的工作目标是了解传感器在像火星这样的环境中如何表现不同,并相应地校准它们,以便它们能在执行任务时发回准确的数据。她的博士工作将集中于处理和分析MOXIE实验实验室的数据和将从火星发回的遥测数据,这将有助于确定该装置在提取氧气的任务中功能如何。

“对我个人来说,这个项目对我来说意义重大,而且它的发布已经开始了,这令人惊讶。”我在黎巴嫩长大,记得看着好奇号探测器着陆的经历,当时美国宇航局喷气推进实验室的主任是查尔斯·埃拉奇博士,他原本是黎巴嫩人。”纳斯尔说。“在任务控制中心看到他让我意识到参与火星任务是可能的,这也是我申请麻省理工学院的原因之一。”

MOXIE团队的最新成员是航空航天硕士的学生贾斯汀·舒尔茨(Justine Schultz),他于2020年春末加入团队。舒尔茨也在通用电气公司全职工作,她的研究生工作将集中在构建一个详细的MOXIE热模型。

名字有什么关系?

由于“火星氧就地资源利用实验”很拗口,赫克特想在这个项目的名字上有所创新。最初的灵感来自于19世纪马萨诸塞州发明的一种镇定神经的苏打水。当该公司将其与苏打水混合以增加碳酸作用时,它开始热销,成为美国第一批批量生产的碳酸饮料之一

除了与当地的联系以及二氧化碳在Moxie苏打水成功故事中的重要作用,Hecht认为这个已经成为我们文化词汇的一部分的单词背后的含义特别适合这个项目。韦氏词典将“moxie”定义为“能量、活力、勇气、决心和诀窍”。当世界与一场危险的全球流行病搏斗,终点线近在眼前时,它的深层含义变得更加重要。

“冠状病毒的情况确实造成了我们预期的一些延误,但谢天谢地,它没有危及任务。尽管遇到了一些挫折,但我们能够调整和调整,以保持发射在轨道上,”赫克特说。“但COVID-19见鬼去吧,我们要发射探测器。”

发射窗口是一个重要因素,因为它标志着一段时间,地球绕太阳与火星的这样一种方式让火箭遵循一个飞行轨迹像换车道高速公路与目标交会着陆在火星Jezero火山口。该窗口将于8月15日关闭,此后26个月不会再打开。

霍夫曼说:“虽然不能亲自一起庆祝这一时刻令人难过,但关键是我们将登上火星表面,制造氧气,这将是我们在家通过网络进行的。”“看着一切发生在过去的几个月里,所有的人努力得到火星2020准备发射尽管我们周围的世界关闭,我很高兴我们的名字毅力因为挂在那里坚持使命已经成为这场游戏的名字。”

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