การทดลองผลิตออกซิเจนบนดาวอังคาร

 

Mars Perseverance Rover image credit: Tryfonov/stock.adobe.com

     ชุดทดลองเพื่อผลิตออกซิเจนบนดาวอังคาร MOXIE(Mars Oxygen In-Situ Resource Utilization Experiment) ซึ่งนำทีมโดยเอ็มไอที ประสบความสำเร็จในการผลิตออกซิเจนจากชั้นบรรยากาศดาวอังคารที่อุดมด้วยคาร์บอนไดออกไซด์ ตั้งแต่เดือนกุมภาพันธ์ 2021 เมื่อปฏิบัติการโรเวอร์เพอร์เซฟเวอร์แรนซ์(Perseverance) ที่กระเตงชุดทดลองไปด้วย ได้ร่อนลงบนพื้นผิวดาวอังคาร

     ในการศึกษาที่เผยแพร่ในวารสาร Science Advances นักวิจัยได้รายงานว่าจนถึงสิ้นปี 2021 MOXIE สามารถผลิตออกซิเจนได้ในการทดลองเดินเครื่อง 7 ครั้ง ในสภาวะชั้นบรรยากาศที่แตกต่างกัน ตั้งแต่ในช่วงกลางวันจนถึงช่วงกลางคืน และผ่านฤดูกาลบนดาวอังคารที่แตกต่างกัน ในการทดลองเดินเครื่องแต่ละครั้ง เครื่องมือได้บรรลุเป้าหมายผลิตออกซิเจนราว 6 กรัมต่อชั่วโมง ซึ่งเป็นอัตราการผลิตออกซิเจนจากต้นไม้ขนาดกลางต้นหนึ่งบนโลก

     นักวิจัยมองการณ์ไกลว่าน่าจะส่ง MOXIE ในแบบที่มีขนาดใหญ่ขึ้นไปดาวอังคารล่วงหน้าก่อนมีปฏิบัติการมนุษย์ เพื่อผลิตออกซิเจนอย่างต่อเนื่องด้วยอัตราเทียบเท่าต้นไม้หลายร้อยต้น ด้วยความสามารถระดับนั้น ระบบน่าจะสร้างออกซิเจนได้เพียงพอที่จะค้ำจุนมนุษย์เมื่อเดินทางไปถึง และยังเป็นเชื้อเพลิงให้กับจรวดเพื่อให้นักบินอวกาศเดินทางกลับโลก โดยรวมแล้ว การผลิตออกซิเจนอย่างคงที่จาก MOXIE เป็นก้าวแรกที่มั่นคงสู่เป้าหมายนี้

     Michael Hecht ผู้นำปฏิบัติการ MOXIE ที่หอสังเกตการณ์เฮย์สแตค เอ็มไอที กล่าวว่า เราได้เรียนรู้มากมายเพื่อส่งระบบในอนาคตในขนาดที่ใหญ่ขึ้น การผลิตออกซิเจนบนดาวอังคารของ MOXIE ยังเป็นครั้งแรกที่แสดงถึงการใช้ประโยชน์จากทรัพยากรในท้องถิ่น ซึ่งเป็นแนวคิดที่จะเก็บเกี่ยวและใช้วัตถุดิบบนดาวเคราะห์(ในกรณีนี้คือ คาร์บอนไดออกไซด์บนดาวอังคาร) เพื่อสร้างทรัพยากร(เช่น ออกซิเจน) ซึ่งโดยปกติจะต้องขนไปจากโลก

MOXIE ก่อนที่จะติดตั้งไปกับโรเวอร์เพอร์เซฟเวอแรนซ์

     นี่เป็นครั้งแรกที่มีการแสดงให้เห็นถึงการใช้ทรัพยากรบนพื้นผิวดาวเคราะห์อื่นอย่างแท้จริง และเปลี่ยนพวกมัน(ด้วยกระบวนการทางเคมี) ให้กลายเป็นสิ่งที่จะมีประโยชน์ต่อปฏิบัติการมนุษย์ Jeffrey Hoffman รองผู้นำทีม MOXIE อดีตนักบินอวกาศนาซา ศาสตราจารย์ที่แผนกการบินและการบินอวกาศ เอ็มไอที กล่าว จัดได้ว่าเป็นช่วงประวัติศาสตร์

     ผู้เขียนร่วมของ Hoffman และ Hecht จากเอ็มไอทียังประกอบด้วยสมาชิกทีม MOXIE พร้อมกับเพื่อนร่วมงานจากสถาบันต่างๆ รวมถึงห้องทดลองไอพ่นขับดัน(JPL) ของนาซา ซึ่งดำเนินการพัฒนา, ซอฟท์แวร์การบิน, แพค และทดสอบก่อนการนำส่ง MOXIE

     การสร้างออกซิเจนด้วยกระบวนการย่อยสลายด้วยไฟฟ้าไม่ใช่เรื่องใหม่ ยกตัวอย่างเช่น บนสถานีอวกาศนานาชาติก็ใช้กระบวนการนี้เพื่อแยกน้ำให้กลายเป็นไฮโดรเจนและออกซิเจน อย่างไรก็ตาม บนดาวอังคารนั้น น้ำมีค่ามากเกินกว่าจะใช้ในการนี้ จึงต้องหาวิธีการอื่น

     MOXIE รุ่นปัจจุบันออกแบบมาให้มีขนาดเล็กประมาณกระเป๋าใส่เอกสาร เพื่อที่จะติดตั้งใต้โรเวอร์เพอร์เซฟเวอร์แรนซ์ได้ และถูกสร้างในทำงานเป็นช่วงสั้นๆ เริ่มทำงานและปิดเครื่องลงในแต่ละช่วงการเดินเครื่องขึ้นอยู่กับตารางการสำรวจและภาระงานของโรเวอร์ เมื่อเปรียบเทียบแล้ว โรงงานผลิตออกซิเจนเต็มรูปแบบน่าจะต้องใช้ MOXIE ที่มีขนาดใหญ่กว่าซึ่งน่าจะต้องเดินเครื่องตลอดเวลา

      แม้จะมีข้อจำกัดจากการออกแบบปัจจุบันจาก MOXIE แต่เครื่องมือก็แสดงให้เห็นว่ามันเปลี่ยนชั้นบรรยากาศดาวอังคารให้กลายเป็นออกซิเจนบริสุทธิ์ได้อย่างมีประสิทธิภาพ ซึ่งทำโดยการดึงอากาศดาวอังคารเข้ามาผ่านฟิลเตอร์ชนิดหนึ่งซึ่งจะกำจัดสิ่งปนเปื้อน จากนั้นก็อัดอากาศด้วยแรงดัน, ให้ความร้อนและส่งผ่าน SOXE(Solid Oxide Electrolyzer) ซึ่งเป็นเครื่องมือที่พัฒนาและสร้างโดย OxEon Energy ซึ่งใช้ไฟฟ้าเพื่อแยกอากาศที่อุดมด้วยคาร์บอนไดออกไซด์(CO2) ออกเป็นออกซิเจนไอออน(O) และคาร์บอนมอนอกไซด์(CO)  

     จากนั้น ออกซิเจนไอออนจะถูกแยกออกมาและรวมกันกลายเป็นโมเลกุลก๊าซออกซิเจน O2 ที่ใช้หายใจได้ จากนั้น MOXIE ก็ตรวจสอบปริมาณและความบริสุทธิ์ก่อนที่จะปล่อยกลับสู่อากาศ พร้อมกับคาร์บอนมอนอกไซด์และก๊าซอื่นๆ ที่มีในชั้นบรรยากาศ

หน่วยย่อยภายใน MOXIE

     นับตั้งแต่ที่โรเวอร์เพอร์เซฟเวอร์แรนซ์ร่อนลงจอดบนดาวอังคารในเดือนกุมภาพันธ์ 2021 วิศวกร MOXIE ได้เริ่มเดินเครื่องเครื่องมือนี้ 7 ครั้งตลอดหนึ่งปีดาวอังคาร แต่ละครั้งใช้เวลาหลายชั่วโมงเพื่อวอร์มอัพ จากนั้นก็ผลิตออกซิเจนอีก 1 ชั่วโงก่อนที่จะปิดเครื่อง การเดินเครื่องแต่ละครั้งกำหนดเวลาในช่วงเวลากลางวันหรือกลางคืนที่แตกต่างกัน, ในฤดูกาลที่แตกต่างกัน เพื่อดูว่า MOXIE จะสามารถรับมือการเปลี่ยนแปลงสภาวะในชั้นบรรยากาศดาวเคราะห์ได้หรือไม่

      MOXIE ถูกออกแบบมาให้ผลิตออกซิเจนได้ถึง 10 กรัมต่อชั่วโมง หรือเป็นออกซิเจนที่นักบินอวกาศหนึ่งคนใช้หายใจได้ 20 นาที ในแต่ละครั้งที่เดินเครื่อง MOXIE ผลิตออกซิเจนได้ตั้งแต่ 5.4 ถึง 8.9 กรัม รวมแล้วเจ็ดครั้ง 49.9 กรัม

     Hoffman กล่าวว่า ชั้นบรรยากาศของดาวอังคารนั้นมีความแปรผันมากกว่าบนโลก ความหนาแน่นของอากาศสามารถแปรผันได้ถึงสองเท่าตลอดหนึ่งปี และอุณหภูมิก็อาจแปรผันถึง 100 องศา เป้าหมายหนึ่งก็คือแสดงว่าเราสามารถเดินเครื่อง(ผลิตออกซิเจน) ได้ในทุกฤดูกาล  

     โดยรวมแล้ว MOXIE ได้แสดงว่ามันสามารถผลิตออกซิเจนได้แทบจะตลอดเวลาบนดาวอังคาร สิ่งเดียวที่ไม่ได้ทดสอบก็คือเดินเครื่องในช่วงย่ำรุ่งหรือย่ำค่ำ เมื่ออุณหภูมิกำลังเปลี่ยนแปลงพอสมควร Hecht กล่าว เรายังต้องจัดการกับส่วนนี้ และเมื่อเราทดสอบส่วนนี้ในห้องทดลองแล้ว ก็จะไปถึงเป้าหมายสุดท้ายเพื่อแสดงว่าเราเดินเครื่องได้ตลอดเวลา

     เมื่อ MOXIE เดินเครื่องปั่นออกซิเจนบนดาวอังคาร วิศวกรก็วางแผนที่จะผลักดันความสามารถและเพิ่มกำลังการผลิต โดยเฉพาะอย่างยิ่งในช่วงฤดูใบไม้ผลิของดาวอังคาร เมื่อความหนาแน่นชั้นบรรยากาศและระดับคาร์บอนไดออกไซด์ขึ้นสูง การเดินเครื่องครั้งต่อไปที่จะมาถึง จะทำในระหว่างที่มีความหนาแน่น(ชั้นบรรยากาศ) สูงสุดของปี และเราก็แค่อยากจะผลิตออกซิเจนให้มากที่สุดเท่าที่จะทำได้ Hecht กล่าว ดังนั้นเราจะเซตทุกอย่างให้สูงสุดเท่าที่จะทำไหว และปล่อยให้มันเดินเครื่องให้นานที่สุดเท่าที่จะทำได้

ภาพอาทิตย์ตกบนดาวอังคารถ่ายโดยโรเวอร์สปิริต(Spirit) ของนาซาในปี 2005

     พวกเขายังจับตาดูการเสื่อมสภาพของระบบด้วย เมื่อ MOXIE เป็นเพียงชุดทดลองหนึ่งในหลายๆ ชุดที่อยู่บนโรเวอร์ มันจึงไม่สามารถเดินเครื่องอย่างต่อเนื่องเหมือนกับแบบเต็มระบบ และเครื่องมือก็ต้องเปิดและปิดในแต่ละครั้งที่เดินเครื่อง ซึ่งจะมีปัญหาความเครียดด้านความร้อนซึ่งจะทำให้ระบบเสื่อมสภาพลงเรื่อยๆ

     ถ้า MOXIE ทำงานประสบความสำเร็จแม้ว่าจะต้องเปิดๆ ปิดๆ เครื่องอยู่บ่อยครั้ง แต่นี่ก็จะหมายถึงว่าเครื่องผลิตแบบเต็มรูปแบบซึ่งออกแบบมาให้เดินเครื่องอย่างต่อเนื่อง ก็น่าจะทำงานไปได้หลายพันชั่วโมง Hoffman กล่าวว่า เพื่อสนับสนุนปฏิบัติการมนุษย์บนดาวอังคาร เราจะต้องนำข้าวของมากมายไปจากโลก อย่างคอมพิวเตอร์, ชุดอวกาศ และที่อยู่ แต่ถ้าคุณสามารถผลิตออกซิเจนที่นั่นได้ ก็จะรอช้าทำไม

     เป้าหมายที่ต้องการก็ต้องมีขนาดใหญ่กว่า MOXIE อย่างมาก Hecht เคยประเมินไว้เมื่อปีที่แล้วว่า สำหรับนักบินอวกาศชุดเล็ก 1 ทีม จะต้องการออกซิเจนเพื่อหายใจประมาณ 1 เมตริกตันต่อหนึ่งปีดาวอังคาร นี่ยังไม่รวมออกซิเจนที่ต้องใช้เพื่อเป็นเชื้อเพลิงกลับโลก โดยรวมปฏิบัติการจะต้องใช้ออกซิเจนราว 500 ตัน

     ชั้นบรรยากาศดาวอังคารปัจจุบัน มีความเบาบางมาก โดยหนาแน่นน้อยกว่าชั้นบรรยากาศของโลกร้อยกว่าเท่า และประกอบด้วยคาร์บอนไดออกไซด์เกือบทั้งหมด(96%)  

แหล่งข่าว sciencedaily.com : MOXIE experiment reliably produces oxygen on Mars
                sciencealert.com : a briefcase-sized box is already making oxygen on Mars