MOXIE: L’esperimento della NASA che produce ossigeno su Marte

Una delle cose più difficili dell’invio di astronauti su Marte sarà riportarli a casa. Il lancio di un razzo dalla superficie del Pianeta Rosso richiederebbe quantità enormi di ossigeno, che, insieme al carburante per missili, costituisce il propellente: un razzo con un equipaggio di quattro persone avrebbe bisogno di circa 25 tonnellate di ossigeno per produrre spinta, utilizzando 7 tonnellate di carburante per missili.

Il Mars Oxygen In-Situ Resource Utilization Experiment, o MOXIE, è uno strumento sperimentale che si distingue dagli scopi primari del rover Perseverance, il cui obiettivo principale consiste nel catturare campioni di roccia che potrebbero portare segni di antica vita microbica. MOXIE invece si concentra esclusivamente sull’ingegneria necessaria per i futuri sforzi di esplorazione umana. L’utilizzo delle risorse in situ, o ISRU, consiste nell’utilizzare ciò che è disponibile nell’ambiente locale. Ciò include la ricerca di acqua ghiacciata che potrebbe essere sciolta per utilizzarla, ma anche generare ossigeno per il propellente del razzo e, naturalmente, respirare.

La respirazione è solo un vantaggio collaterale del vero obiettivo di MOXIE, ha affermato Michael Hecht del Massachusetts Institute of Technology, il ricercatore principale dello strumento. Il propellente per razzi è la risorsa consumabile più pesante di cui gli astronauti avranno bisogno, quindi essere in grado di produrre ossigeno a destinazione renderebbe il primo viaggio con equipaggio su Marte più facile, sicuro ed economico. L’atmosfera di Marte è estremamente rarefatta, ed è composta per il 95% da anidride carbonica, l’ossigeno costituisce circa lo 0,13%, contro il 21% dell’atmosfera terrestre. MOXIE aspira l’aria attraverso una pompa, quindi utilizza un processo elettrochimico per separare un atomo di ossigeno da ogni molecola di anidride carbonica (CO2), liberando monossido di carbonio (CO) come sottoprodotto. Man mano che i gas fluiscono attraverso il sistema, essi vengono analizzati per verificare la quantità di ossigeno prodotta, la sua purezza e l’efficienza dal sistema.

 

Dettaglio del sistema MOXIE

 

Questa reazione però, richiede temperature elevate per funzionare, circa 800°C. Per poter gestire queste elevate temperature, MOXIE, dalle dimensioni leggermente superiori a quelle di un tostapane, è realizzato con materiali particolarmente resistenti al calore. Le parti speciali in lega di nichel stampate in 3D riscaldano e raffreddano i gas che fluiscono attraverso lo strumento, mentre l’isolamento superleggero chiamato aerogel trattiene il calore per ridurre al minimo la potenza necessaria per mantenerlo alle temperature di esercizio. L’esterno di MOXIE è rivestito da un sottile strato d’oro, che impedisce alle alte temperature di irradiarsi in altre parti del rover Perseverance.

MOXIE è progettato per produrre da 6 a 10 grammi di ossigeno all’ora, quanto basta per far respirare per un’ora un cane di piccola taglia. Nel mese di aprile 2021, durante i primi due test, il sistema MOXIE è stato in grado di produrre in totale tra i 4 e i 5 grammi. Un problema associato a questa tecnologia però risiede nella elevata potenza richiesta da MOXIE, Perseverance infatti non è in grado di eseguire altri esperimenti o raccogliere altri dati durante lo svolgimento dei test. Dovrebbero essere in programma altri otto esperimenti nei prossimi mesi, apportando lievi modifiche per ottimizzare la produzione di ossigeno.

 

Posizionamento di MOXIE a bordo di Perseverance.

 

Michael Hecht stima che un sistema MOXIE a grandezza naturale su Marte potrebbe essere un po’ più grande di una stufa domestica e pesare circa una tonnellata, quasi quanto lo stesso rover Perseverance. Un sistema completo, progettato per produrre propellente al fine di permettere un volo verso la terra, dovrebbe aumentare la produzione di ossigeno di circa 200 volte rispetto a quella che consente l’attuale versione di MOXIE.

Potrebbe volerci molto tempo prima che gli astronauti atterrino su Marte: la NASA sta parlando dei primi anni 2030, mentre SpaceX di Elon Musk promette che questo avverrà anche prima. Qualsiasi equipaggio in arrivo su Marte avrà probabilmente il proprio dispositivo a bordo del proprio veicolo spaziale che produce ossigeno per respirare, quindi il problema più grande da risolvere rimane la produzione del propellente che useranno per affrontare il viaggio di ritorno verso casa.

“L’impegno nello sviluppo di MOXIE mostra che la NASA è seria su questo progetto”, afferma Hecht. “MOXIE non è la risposta completa, ma ne è una parte fondamentale. In caso di successo, dimostrerà che i futuri astronauti potranno fare affidamento su questa tecnologia per riportarli a casa sani e salvi da Marte”.

A cura di Marco Sanna del VGen Engineering Hub