パーセベランスのMOXIEツールは火星の空気を純粋な酸素に変える

火星への旅は、控えめに言っても困難だろう。ここ数十年、地球近傍の宇宙空間では有人宇宙飛行が日常的になっているが、地球の重力圏から脱出するには大量のロケットパワーが必要だ。そして、火星のような惑星から地球に戻るのにも、かなりの力が必要になる。

しかし、NASA、その他の宇宙飛行機関、民間企業は、人類を火星に送り込み、安全に地球に帰還させることに目標を定めている。そのため、エンジニアや科学者は、そのような旅を可能にするのに十分な燃料を製造する方法を見つけようと取り組んでいる。

ロケット推進に不可欠な要素である酸素は、赤い惑星では入手困難だ。しかし、火星の試作機の結果は、酸素を空気から取り出すことができることを示唆している。これは、将来、ロケット打ち上げの動力源となる酸素を生産できることを示唆しているが、人類が火星の空気を直接呼吸できるほどの量はまだない。

「現地の資源を使わない有人火星探査を計画するのは、不可能ではないにしても、本当に難しい」と、このプロジェクトには関わっていないNASAエイムズ研究センターの惑星科学者キャロル・ストーカー氏は「現地」を意味する科学用語を使って言う。

現在、パーサヴィアランス探査車に搭載されたランチボックスサイズの装置により、火星にある資源から推進剤を生産する道が開かれた。火星酸素現地資源利用実験 (MOXIE) は、赤い惑星で酸素を生成することに成功した。

科学誌「サイエンス・アドバンス」に水曜日に掲載された報告書によると、パーセベランスが2021年2月に着陸してからその年の終わりまでに、MOXIEは7回の飛行で約50グラムの酸素を生産した。マサチューセッツ工科大学の航空宇宙工学教授でMOXIEの副主任研究員であるジェフリー・ホフマン氏は、MOXIEは2022年までさまざまな条件下で実験を続けていると述べた。

この装置は大気の状態に応じて1時間あたり6～10グラムのガスを生産できる。ホフマン氏によると、この生産量は火星の大気が最も濃かった8月末に最高に達したという。

MOXIE の目的は、「このプロセスが火星で実際に機能するかどうかを検証することです。そして、私たちはその実現に向けて順調に進んでいると言えます」とホフマン氏は言う。

[関連: パーセベランスの岩石の多い移動から得られた火星に関する 5 つの新たな知見]

MOXIE は、火星の大気を構成する分子を使って酸素を生成します。しかし、これは単純な抽出ではありません。火星の大気は 95 パーセントが二酸化炭素です (地球の大気は主に窒素で、酸素もかなりの割合で含まれています)。MOXIE は、CO2 分子を一酸化炭素と酸素に分解する必要があります。

まず、MOXIE は HEPA フィルターを通して空気を吸い込み、火星の塵がプロセスに入らないようにします。次に、火星の空気はコンプレッサーに通されます。ホフマン氏の説明によると、酸素生成プロセスには密度が足りないからです。この装置は火星の空気を圧縮し、その密度を大幅に増加させます。地球の大気の 100 倍の薄さから、約半分の薄さまで。

次に、二酸化炭素を約 1,500° F (800°C) まで加熱します。加熱したら、いよいよメイン イベントです。電気分解ユニットを通します。電気分解ユニットでは、電気を使用して化学反応が起こります。このユニットでは、二酸化炭素がニッケルなどの触媒と接触し、CO2 分子が一酸化炭素 (CO) と酸素イオンに分解されます。次に、電気を使用して酸素イオンをフィルターを通して別のチャンバーに引き込み、そこで酸素分子に結合します。その結果、呼吸やロケットに使用できる純粋な酸素が生まれます。

「MOXIE の素晴らしいところは、酸素の面では、必要なのは大気だけだということです」とホフマン氏は言う。「だから、どこにいても、大気は手に入ります。」

[関連: この小型ロケットは火星から打ち上げられる最初のNASAの宇宙船になるかもしれない]

MOXIE は火星の夜、昼、そして冬を含む複数の季節に渡って酸素を生成してきた。火星の両極の最も寒い時期には、二酸化炭素が氷となって極地の表面に堆積するため、大気の密度が減少する。つまり、MOXIE が利用できる CO2 が 6 か月ごとに少なくなる、とコロラド大学ボルダー校の大気宇宙物理学研究所の研究科学者マーガレット・ランディスは説明する。それでも、大気が薄くなる時期には、1 時間あたり約 6 グラムの酸素を生成した。

「MOXIE は火星ではいつでも実行できます」とホフマン氏は言う。「さらに実行できれば、状況が急速に変化する夜明けと夕暮れ時に実行して、MOXIE が変化する状況に適応できることを示すつもりです。」

しかし、1時間あたり6～10グラムの速度では、火星への有人ミッションに使用できるほどの酸素を生産することはできない。平均的な人間が1日に呼吸する酸素の量は1キログラム弱で、ロケットはそれよりも酸素を多く必要とするとホフマン氏は言う。火星の表面から人間を打ち上げるロケットを動かすには、数十トン、あるいは数百トンの酸素が必要になる。しかし、その酸素は時間をかけて蓄積できる。MOXIEのようなシステムのフルスケール版では、ロケット打ち上げシステムで使用するのに十分な液体酸素を蓄積するには、1時間あたり2～3キログラム程度の酸素を生産する必要があるとホフマン氏は言う。

エンジニアたちはすでに、そのような大型の装置の試作品を持っている、と彼は言う。MOXIE はパーサヴィアランス探査車に搭載されていたため小型のままだったが、将来のミッションでは、MOXIE のような大型の装置を単独で火星に送ることができるかもしれない。ホフマンは、そのような装置には、一酸化炭素生成物を何か有用なものに変える機能など、さらに多くの機能があるかもしれないと語る。

酸素を生成できるからといって、火星打ち上げロケットの準備が整ったわけではない。NASAのストーカー氏は、酸素はロケット打ち上げ方程式の一部にすぎないと語る。酸素は燃焼反応の半分、つまり酸化剤を提供するが、ロケットには燃料として他の成分も必要だ。しかし、酸素はロケットの推進に必要な質量の4分の3以上を供給でき、地球から火星に運ばなければならない物資の量を大幅に減らすことができるとストーカー氏は付け加える。

MOXIE のような技術がスケールアップするにつれ、このプロセスが火星に及ぼす可能性のある環境への影響を考慮する価値はあるとランディス氏は言う。「CO2 は火星の大気の主要成分であり、季節サイクルにおいて非常に重要な役割を果たしているため、これは考慮すべき事項です」とランディス氏は言う。「表面と大気の CO2 の均衡とガスの種類を変え始めると何が起こるのか、その正確な意味についてはまだ学ぶべきことがたくさんあります」

「時々、SFの未来に生きているような気分になります」とランディス氏は言う。「これは、私たちが火星でどれだけ多くのことを成し遂げてきたかの証です。」