Una pianta artificiale su Marte

MOXIE al JPL prima di essere montato su Perseverance. Credits: NASA/JPL-Caltech

Perseverance non smette di sgretolare primati e aprire nuove frontiere, e dopo i primi voli di Ingenuity, il 20 aprile 2021 (Sol 60) è giunto il momento di MOXIE, acronimo di Mars OXygen In-situ resource utilization Experiment. Il piccolo strumento, un parallelepipedo dalle dimensioni di 23,9 × 23,9 × 30,9 centimetri e dal peso di 17,1 chilogrammi, ha convertito l’anidride carbonica marziana, costituente circa il 96% dell’atmosfera, in ossigeno molecolare, utilizzando un processo simile a quello che le piante eseguono sulla Terra.

La differenza principale tra i due processi è la mancata produzione di glucosio, generato dalla vegetazione assorbendo sei molecole di CO₂, sei di acqua ed energia solare. Come prodotto di scarto, in entrambe le reazioni, si forma ossigeno, che permette agli esseri umani di abitare la Terra e a MOXIE di diventare il primo strumento a produrlo in atmosfera marziana.

Posizione di MOXIE su Perseverance. Credits: NASA

Processo produttivo e struttura di MOXIE

L’aria marziana viene aspirata da un filtro, portata a circa un’atmosfera di pressione e in seguito passata al Solid OXide Electrolyzer (SOXE), dove viene separata elettrochimicamente in O₂. Basandosi sull’efficienza di conversione calcolata dai flussi e dalle misure di composizione, SOXE monitora vari parametri, tra cui flusso in ingresso, temperatura, quantità di anidride carbonica e tensione applicata per ottimizzare la produzione di ossigeno.

La conversione è stata preceduta da un periodo di riscaldamento dello strumento durato circa due ore, al quale è poi seguita la produzione di ossigeno a un tasso di 6 grammi per ora (anche se lo strumento è progettato per produrne un massimo di 10). Il rateo è stato abbassato due volte (indicate nel grafico sotto come current sweeps) durante il periodo di attività per permettere agli scienziati di verificare lo status di MOXIE.

Poiché la conversione richiede elevati quantitativi di calore per raggiungere temperature di circa 800 °C, MOXIE utilizza materiali termoresistenti, prodotti anche tramite stampa 3D, come parti di una lega di nickel, che riscaldano e raffreddano i gas che le attraversano. È presente anche un leggerissimo aerogel che ha la funzione di contenere il calore all’interno di MOXIE, mentre all’esterno un sottile rivestimento d’oro impedisce alla radiazione infrarossa di raggiungere l’esterno e altre parti di Perseverance, e quindi di arrecare danni.

Alla fine di un’ora di estrazione di anidride carbonica, lo strumento ha prodotto circa 5,4 grammi di ossigeno, sufficienti per permettere 10 minuti di attività a un eventuale astronauta.

L’ossigeno prodotto viene prima analizzato, alla ricerca di eventuali impurità, e successivamente rilasciato in atmosfera assieme a un altro prodotto di scarto, il monossido di carbonio (CO), rispettando i protocolli di protezione planetaria.

Produzione di ossigeno da parte di MOXIE. Credits: MIT Haystack Observatory

Sebbene il quantitativo possa sembrare modesto, va ricordato che MOXIE è un dimostratore e quindi ne è stata testata la resistenza al lancio, al volo interplanetario, l’entrata in atmosfera e infine la capacità di produzione di ossigeno. In merito a prossime attivazioni di MOXIE, NASA ne prevede almeno altre nove nel corso del prossimo anno marziano (quasi due anni terrestri).

Le prossime produzioni seguiranno un processo diviso in tre fasi: la prima prevede la verifica e la validazione della tecnologia, la seconda l’utilizzo dello strumento in condizioni diverse tra loro, come in vari momenti del giorno, dell’anno e con la presenza o meno di venti, mentre infine la terza porterà all’estremo le capacità di MOXIE, testando nuove modalità o raggiungendo temperature diverse durante uno stesso processo. Come è possibile notare, anche in questo caso le procedure ricalcano quelle sperimentate su Ingenuity, ovvero validazione della tecnologia, test in condizioni variabili e infine sperimentazione di nuove modalità o verifica dei limiti del dimostratore.

Schema di funzionamento di MOXIE. Credits: NASA

Prospettive a lungo termine

MOXIE, così come tutta la missione Mars 2020, si inserisce all’interno dei piani dell’agenzia americana di portare il primo equipaggio umano sulla superficie di Marte. Per riuscire in questa storica impresa sarà necessario fornire agli astronauti dei moduli abitativi, che dovranno contenere aria respirabile stimata in circa una tonnellata all’anno. Serviranno quindi dei generatori di ossigeno che ereditino i successi e le caratteristiche di MOXIE, e che sappiano integrare le innovazioni tecnologiche che arriveranno nel corso dei prossimi anni.

Gli astronauti però dovranno anche ripartire dalla superficie, e per farlo necessiteranno di un veicolo per il quale l’ossigeno liquido è fondamentale. Per riportare a Terra un equipaggio di quattro astronauti serviranno infatti circa 7 tonnellate di combustibile (ad es. metano) e 25 di ossigeno. La produzione in loco sarà fondamentale, dato che i ¾ dei propellenti necessari all’esplorazione umana di Marte dovranno essere prodotti sul posto.

Da qui l’importanza dell’in situ resource utilization, che giocherà un ruolo cruciale per i piani futuri dell’agenzia, che includono anche il ritorno sulla Luna e la costruzione di habitat lunari con tecnologie innovative.

Origine del nome

Molti acronimi utilizzati nelle missioni hanno vari significati nascosti, MOXIE non è da meno. Oltre al riferimento tecnico del nome, la parola rappresenta, in inglese americano, un tratto della personalità associato a persone audaci, avventurose, resilienti e vivaci.

L’etimologia del termine sarebbe attribuibile ai nativi americani, che la utilizzavano per indicare luoghi con “acque scure”. Alla fine dell’Ottocento era comune chiedere al bancone di un pub un Moxie: inizialmente si riferiva a una bevanda tonica e solo successivamente è stato associato a un drink dai presunti effetti benefici sulla salute. È entrato così nel vocabolario americano, tanto che è ancora possibile acquistarlo in alcuni negozi che rievocano i “vecchi tempi”.

Fonti: NASA

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Matteo Deguidi

Studente di astronomia presso l'Università di Padova, mi intriga e appassiona tutto quello che riguarda le missioni scientifiche e soprattutto le prossime generazioni di telescopi. Considero ISAA come una seconda famiglia, la quale mi ha dato possibilità di accedere ad un mondo di notizie che da tanto ricercavo.