NASAの火星探査車「パーサヴィアランス」に搭載された酸素発生装置は、テストで火星の大気から生命維持に必要なガスを繰り返し抽出してきたが、今週発表された科学論文でその詳細が明らかにされた。
火星の大気の約95%は二酸化炭素で、酸素はごくわずかです。火星で長期有人ミッションを実施するには、地球からタンクで定期的に酸素を送るよりもはるかに効率的な方法であるため、火星で二酸化炭素から酸素を直接生成する必要があります。酸素は呼吸やロケット燃料などに必要です。
MITが率いるチームが開発したパーセベランスの酸素発生装置は、「火星酸素現地資源利用実験」（Mars Oxygen In-Situ Resource Utilization Experiment、略してMOXIE）と名付けられています。昨年4月、火星の二酸化炭素から毎時6グラムの酸素を生成し始めました。これは宇宙飛行士が10分強呼吸できる量です。
「これは火星で二酸化炭素を酸素に変換する上で重要な第一歩だ」と当時、米国宇宙機関の次官の一人、ジム・ロイター氏は語った。
この技術実証の結果は、人類が将来火星に移住するという目標に向けて前進する上で、大きな希望を与えてくれます。酸素は私たちが呼吸するだけのものではありません。ロケットは酸素に依存しており、将来の探査機は火星帰還のために火星で燃料を生産することになるでしょう。
現在、MOXIEの設計者たちは、火星の複数の季節にわたってこの発電機による一連のテストを実施し、成功したと主張しており、その詳細をSciences Advances誌に論文として発表しました。この技術実証の詳細については、ぜひ論文をご覧ください。
「これは、他の惑星の表面にある資源を実際に利用し、それを化学的に変化させて有人ミッションに役立つものに変えるという、初めての実証です」と、MOXIEの副主任研究者でMIT航空宇宙学部の教授であるジェフリー・ホフマン氏は声明で述べた。「その意味で歴史的な出来事です。」
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ホフマン氏とその同僚は、昨年、MOXIE の 7 回の実験実行のパフォーマンスを分析し、1 回あたり最大 1 時間あたり 6 グラム、つまり地球上の小さな木とほぼ同じ量の燃料を生産した。
MOXIEは、火星の大気をろ過して塵を取り除き、圧縮して800℃（1,470°F）まで加熱することで機能します。二酸化炭素はニッケル系触媒陰極を通過し、酸素イオンと一酸化炭素に分解されます。セラミック電解質は酸素イオンを陽極へと導き、そこで呼吸可能な二原子酸素が生成されます。MOXIEは、これらのガスが火星の大気中に放出される前に、その量と純度を測定します。
酸素を生成するにはかなり時間がかかります。MOXIEはウォームアップに2時間、固体酸化物電気分解プロセスを完了するのにさらに1時間かかり、その後電源を切る必要があります。科学者たちは、一日の様々な時間帯にMOXIEを起動し、気温が惑星の大気と装置の酸素生成にどのような影響を与えるかを調べる実験を行いました。
「火星の大気は地球よりもはるかに変化に富んでいます」とホフマン氏は説明した。「空気の密度は年間で2倍も変化し、気温も100度も変化します。目標の一つは、あらゆる季節で飛行できることを示すことです。」
火星へ向かう前のトースターサイズのMOXIE観測装置…画像提供：NASA/JPL-Caltech
これまでのデータでは、MOXIE は火星のほぼ一日中いつでも酸素を生成できることが示されているが、研究チームは気温の変化が最も激しい夕暮れ時や夜明け時にはまだテストを行っていない。
また、MOXIEの設定を上げて酸素生成量を増加させ、システムが摩耗や劣化によって故障し始める可能性のある箇所を監視する予定です。理論上、MOXIEは1時間あたり最大12グラムの酸素を生成できる十分なパワーを備えています。
「次回の稼働は、年間で最も大気密度が高くなる時期です。できるだけ多くの酸素を生成したいのです」と、MITヘイスタック天文台のMOXIEミッション主任研究者、マイケル・ヘクト氏は述べた。「ですから、全ての設定を可能な限り高く設定し、できる限り長く稼働させたいと思います。」
別の研究チームは、プラズマを使って二酸化炭素から酸素を抽出する装置を開発しました。この装置は 1 時間あたり 14 グラムの酸素を生成できました。
NASA は、火星への有人ミッションに向けて、将来の有人ミッションに対応できるよう、火星に酸素の備蓄を生成できるよう、この種の装置をかなり前もって送り込むことを想定している。
「火星への有人ミッションを支えるには、コンピューター、宇宙服、居住施設など、地球から多くの物資を運ばなければなりません」とホフマン氏は語った。「でも、酸素なんてどうでもいいじゃないですか？ 火星にたどり着けるなら、ぜひやってみてください。あなたたちははるかに先を進んでいるんですから。」®
