Menu

Perseverance Rover Üzerindeki MOXIE Nedir?

Mars 2020 misyonunun önemli bir bileşeni olan ve 30 Temmuz 2020’de  Cape Canaveral’dan fırlatılan Perseverance rover;  Mars’taki jeolojik süreçleri, yaşanabilirliği, Mars’ta daha önce hayat olup olmadığını araştırmayı, çevreyi karakterize edip, gelecekteki insan keşiflerinin önünü açmaya yardımcı olmayı hedefliyor. Şubat 2021’de Mars’a ulaşması beklenen araç, çok heyecan verici bir ekipmanı da deneysel amaçla yanında götürüyor.

Rover üzerinde yer alan yedi deneyden biri; gezegende özellikle gelecekteki insanlı görevlerde kilit işlevli, Mars’ta kendi oksijenimizi yapabileceğimizi göstererek bu ilk görevlere hazırlanmamıza yardımcı olacak olan MOXIE .

MOXIE Nedir?

‘’Mars Oyygen In-Situ Resource Utilization Experiment’’ adlandırmasından türetilen MOXIE ismine Türkçe “Mars Yerinde Oksijen Kaynağı Kullanma Deneyi” de diyebiliriz. MIT (Massachusetts Teknoloji Enstitüsü) Haystack Gözlemevi ve MIT Havacılık ve Uzay Bilimleri Bölümü (AeroAstro) araştırmacıları ile NASA Jet Tahrik Laboratuvarı’ndaki (JPL) mühendisler arasında bir işbirliği ile geliştirilmiş olan MOXIE; Mars atmosferindeki CO₂ (karbondioksit)ten yüksek saflıkta O₂ (oksijen) üretmeye çalışacak.

Mars’ın atmosferik bileşenleri % 95.32 karbondioksit, %2.6 nitrojen, % 1,9 argon, %0.174 oksijen, ,%0.0747 karbonmonoksit, %0.03 (değişken) su buharı şeklinde iken, Mars görevlerinde ve olası kolonileşme çalışmalarında en büyük handikaplardan biri;  %21 oksijen içeren dünya atmosferiyle karşılaştırıldığında, yaşam için gerekli olan solunabilir oksijen eksikliği.

Bu soruna çözüm bulmak için tasarlanan MOXIE; Mars’ta ileriki tarihlerde kullanılması planlanan orijinal cihazın 1/200’ü oranında ölçeklendirilmiş, bir araba aküsü boyutlarında olan prototipi. MOXIE  gezegenin atmosferinde %0.174 oranında bulunan oksijeni arttırmak için karbondioksit alıp, oksijen verecek.

Peki MOXIE’den beklentimiz tam olarak nedir? Örneğin cihaz Mars atmosferini değiştirmeye yetecek mi? Cevap hayır. Preservance’ın taşıdığı MOXIE, fikri test etmek için üretilen küçük bir deney olduğu için çok fazla oksijen üretmeyecek, Mars atmosferinde önemsiz bir etkiye sahip olacak. Öncelikle amaç, gelecekteki çalışmalara önderlik etmek ve astronotlar ve araçlar için oksijen biriktirecek versiyonların önünü açmak.

Mars Moxie Sistem

Resim-1. Moxie donanımının çalışma yapısı. (Image Credit: NASA/JPL-Caltech)

MOXIE Nasıl Çalışacak?

Dünya üzerinde bir ağacın atmosfer dengesindeki görevini MOXIE‘nin Mars’ta gerçekleştirecek olması ona “mekanik Mars ağacı” denilmesinin de önünü açıyor.  Belki tip olarak bir ağacı andırmasa da Moxie tıpkı bir ağaç gibi Mars atmosferinden karbondioksiti alacak ve onu katı oksit elektroliz denilen elektrokimyasal yöntemle karbonmonoksit ile oksijen moleküllerine ayrıştıracak.

MOXIE’yi oluşturan küçük kasanın içinde bir kompresör, bir filtre ve elektroliz reaksiyonunu gerçekleştiren bir seramik yığın bulunur. Mars’taki atmosfer Dünya’dakinden 170 kat daha incedir. Bu hava karbondioksit açısından çok zengin olsa da, düşük basınç, MOXIE’nin reaktif çekirdeğine giren ortamdaki havanın fazla oksijen üretmeyeceği anlamına gelir. Ancak MOXIE’nin kompresörü CO₂ Edinimi ve Sıkıştırma (CAC) sistemi, Mars atmosferini Rover’ın dışından bir filtre aracılığıyla çeker, tozu filtreler ve yaklaşık 1 atmosfere basınca sıkıştırır. Basınçlı CO₂ gazı daha sonra regüle edilerek Katı Oksit Elektrolizörüne (SOXE) beslenir, katodta elektrokimyasal olarak bölünerek anodda saf O₂ üretir. Bu işlem bir yakıt hücresini ters yönde çalıştırmaya eşdeğerdir.

Katı Oksit Elektrolizörü, giriş gazı ön ısıtma ve çıkış gazı soğutması içeren gelişmiş bir termal izolasyon sistemi gereksinimiyle 800 °C derecede çalışır. Burada kimyasal katalizör, gelen her CO₂’den bir oksijen atomunu koparır. Oksijen atomu çiftleri, karbon monoksit ile birlikte çıkan kararlı diatomik (iki atomlu) oksijeni oluşturmak için hızla birleşir. % 99,6 saflıkta elde edilmesi planlanan oksijenin (O2) saflığı analiz edildikten sonra iki gaz da (oksijen ve karbonmonoksit) Mars atmosferine geri salınır. Cihazın üreteceği oksijenin saflığı ise astronotlar direkt soluyacağı için çok önemlidir.

Saflık ve üretim verimi doğrulamak için analiz edilen; O₂ çıkış akışı ve CO₂ / CO çıkışı akışlarıdır. Katı Oksit Elektrolizörü’den geçen elektrik akımı da elektrolit boyunca taşınan oksit iyonlarının doğrudan bir sonucu olup, O₂ üretim hızının bağımsız bir ölçümünü sağlar.

Ölçümler sonucunda dönüşüm verimliliğine bağlı olarak, Katı Oksit Elektrolizörünün; CO₂ giriş akış hızı, sıcaklık ve uygulanan voltaj gibi kontrol parametreleri, Mars çevre koşullarında O₂ üretimini optimize etmek için kullanılır.

Reaksiyon girdisi Mars atmosferinde bulunan nitrojen ve argon ise herhangi bir işleme maruz kalmaksızın atmosfere geri gönderilirken, yan ürün olarak oluşan karbonmonoksit (CO) için birkaç olasılık mevcut. Direkt atmosfere geri salınabilir, dönüş aracında yakıt/itici olarak kullanılmak üzere depolanabilir, ya da yine yakıt olarak kullanılma amaçlı metana (CH4) çevrilebilir.

Net reaksiyon  2CO₂  → 2CO + O₂ şeklindedir.

MOXIE şu anda saatte 10 grama kadar oksijen üretebiliyor. Bu da 24 saat boyunca çalıştığında bir insana 1,5 gün yetecek kadar oksijen üretebildiği anlamına geliyor. MOXIE deneyleri ilk etapta aralıklı olarak birer saatlik depolanmayan oksijen üretim seansları şeklinde planlanıyor. Bilim insanları deneylerin başarısını üç bağımsız ölçümle takip edecekler: gazın yolundaki bir basınç sensörü, oksijenle karşılaştıktan sonra kararan bir floresan molekül ve yukarıda bahsetmiş olduğumuz gibi reaksiyon kaynaklı SOXE’den geçen elektrik akımı. Perseverance aynı zamanda, herhangi bir Mars misyonunda bir ilk olan mikrofonları da yanında götürüyor. Böylelikle bilim insanları kaydedilen sesi ile kompresörün sağlıklı çalışıp çalışmadığına bakacaklar.

Tam donanımlı bir birimin MOXIE’den 1.000 kat daha uzun çalışması gerekeceğinden, mühendisler gelecek tasarımları olabildiğince güvenilir ve kompakt tutmak için MOXIE’den elde edecekleri sonuçları kullanabilecekler.

Mars Moxie

Resim-2. Moxie’nin dış görünüşü. (Image Credit: NASA/JPL-Caltech)

MOXIE’ ye Neden İhtiyaç Var?

Oksijen, uzay keşiflerinde için oldukça kritik bir role sahip.  İnsanlı keşifler sırasında hem astronotların yaşamsal faaliyetleri için hem de mekiklerin yakıt/itici ihtiyacı için oldukça çok miktarda oksijene ihtiyaç duyuluyor. İhtiyacın bu kadar çok olması, oksijeni uzay görevlerinde çok fazla yer kaplayan, sürekli taşınması gereken oldukça hantal bir yük haline getiriyor. Bu sebeple mekiklerdeki yükün büyük kısmını depolanmış sıvı oksijen oluşturuyor.

Mars keşiflerinde astronotların görev bitiminde dünyaya dönüş yolculuğu için uzay gemilerine yakıt sağlamak şöyle dursun,  görev sırasında Mars gezegeninde nefes almalarına yetecek miktar oksijeni bile dünyadan taşımaları  pek olası değil. Örneğin sırf dünyaya dönüş yolculuğu için mekiğin yaklaşık 33 ila 50 ton arası yakıta ihtiyacı var.

İşte bu noktada sorunu MOXIE’nin çözmesi bekleniyor. NASA, Perseverance ile gerçekleştirilecek oksijen üretim deneylerinin başarılı sonuçlanması halinde; mevcut MOXIE’nin 100 katı büyüklüğünde orijinal cihazı, bir radyoizotop termoelektrik jeneratörü eşliğinde MARS’a göndererek 2030’lu yıllarda MARS’a ayak basması planlanan uzay kaşifleri için önceden hazırlık yapmayı planlıyor.

Jeneratörün güç sağlayacağı bu sistemin; saatte 2 kilograma kadar oksijen üreterek sıvı oksijen tanklarına depolaması, depolanan oksijenin de, gelecekte uzay kaşiflerine hem yaşam destek hem de dünyaya dönüş yolculuğunda kullanılacak kalkış aracında yakıt gücü/itici olarak hizmet etmesi öngörülüyor.

MOXIE projesinin baş araştırmacısı ve MIT (Massachusetts Teknoloji Enstitüsü) Haystack Gözlemevi yöneticisi Michael Hecht “Sadece insanların değil, roketin de nefes alması için oksijen gerekli. Yakıt yakıyorsanız, onu tüketmek için oksijene ihtiyacınız var. Fırlatmalar çok fazla yakıt tüketir. Bir uzay aracını Dünya’nın çekim kuvvetinden çıkmak için ilerletmek büyük miktarda enerji gerektirir ve Dünya’ya geri dönmek her şeyi yeniden yapmayı gerektirir. İşte ISRU yaklaşımı (In-Sti Resource Utilization) (yerinde kaynak kullanımı) burada devreye giriyor. Onu yanımıza almak yerine, neden oraya gittiğimizde ihtiyaç duyduğumuzda yapmayalım?” diyor.

Moxie ayrıca Mars atmosferindeki toz boyutu ve morfolojisinin tespitini de yaparak, tozun yüzey sistemlerinin çalışması üzerindeki etkilerini anlamamıza da yardımcı olacak.

MOXIE’nin Karşılaşabileceği Sorunlar

MOXIE kendi içinde çok yüksek sıcaklıkla çalıştığından, çalışma sırasında ekipmanı ve geri kalan Perseverance ekipmanlarını korumak için yüksek teknolojili yalıtım gerekiyor. Ayrıca Perseverance ekipmanları Mars’ın gün içerisinde 60 Fahrenheit (15.5 °C) ile -130 Fahrenheit (-90 °C) arasında değişen muazzam sıcaklık dalgalanmalarında çalışmak durumunda. Bunun üstesinden gelebilmek için NASA mühendisleri, hafif ve dayanıklı bir yalıtkan olarak tamamen farklı bir proje için geliştirilmiş olan aerojelleri kullandılar.

Baş araştırmacı Michael Hecht,  “MOXIE ‘yi gündüz, gece, kışın, yazın ve tozlu olduğunda … tüm farklı ortamlarda çalıştırabileceğimizi göstermek istiyoruz” diyor.

Hecht’e göre Perseverance’ın yoğun çalışma programı da, MOXIE’nin operasyonu için büyük bir teknik zorluk teşkil ediyor. Cihaz, sürekli çalışmak yerine, son derece değerli ve kısıtlı pil gücünü Perseverance bünyesindeki diğer cihazlarla paylaşmak için aralıklı açılıp kapanmak zorunda.

Bir diğer olası zorluk da; Mart 2019’da tamamlanmış olan MOXIE’nin donanımının, Perservance Şubat 2021’de Mars’a iniş yapana kadar yani 2 yıl kullanılmadan bekleyecek olması.

Şu anda plan, Mars’a varıştan itibaren MOXIE ile mümkün olduğunca çok sayıda farklı mevsimsel ve çevresel koşul altında en az 10 oksijen üretme çalışması gerçekleştirmek. Bu deneylerin başarılı olması; hem gelecekte Mars kaşiflerinin çalışmaları,  hem Mars üzerinde insan yaşamı hem de dünyaya dönüş açısından çok önemli.  Tüm bunları gözlemleyebilmek için Preservance’ın Mars’a inmesi öngörülen 18 Şubat 2021 tarihini sabırsızlıkla bekliyoruz.


Referans Kaynaklar : 

https://www.smithsonianmag.com/science-nature/nasa-launching-instrument-make-oxygen-mars-180975430/
https://www.businessinsider.com/moxie-makes-oxygen-for-colonies-on-mars-2015-3
https://news.mit.edu/2020/perseverance-and-little-moxie-mit-going-to-mars-0729
https://en.wikipedia.org/wiki/Mars_Oxygen_ISRU_Experiment
https://mars.nasa.gov/mars2020/spacecraft/instruments/moxie/

Beğen  1
Özlem ÖNÖKTEM DEMİR
Yazar

Kimyager. Dünyadaki Mars Projesi yazarı. (Chemist. Author of Mars on Earth Project)

Bir Cevap Yazın

E-posta hesabınız yayınlanmayacak. Gerekli alanlar * ile işaretlenmişlerdir