MOXIE
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1. 개요
MOXIE는 화성 대기 중 이산화탄소를 산소로 변환하는 실험을 수행하는 장치이다. NASA의 화성 2020 임무의 일환으로 퍼서비어런스 로버에 탑재되어, 미래 화성 유인 탐사를 위한 산소 생산 기술을 시험한다. MOXIE는 고체 산화물 전해 전지를 사용하여 이산화탄소를 산소와 일산화탄소로 분리하며, 2021년 첫 실험에서 성공적으로 산소를 생산했다. MOXIE는 총 122g의 산소를 생산했으며, 최대 98% 이상의 순도로 시간당 12g의 산소를 생산할 수 있음을 입증했다.
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| MOXIE | |
|---|---|
| MOXIE (화성 산소 현지 자원 활용 실험) | |
 | |
| 운영 기관 | NASA |
| 제조업체 | NASA/Caltech/제트 추진 연구소 OxEon Energy |
| 유형 | ISRU (현지 자원 활용) 실험 기술 |
| 기능 | 산소 생산 |
| 시작일 | 2021년 4월 20일 |
| 종료일 | 2023년 8월 3일 |
| 웹페이지 | https://mars.nasa.gov/mars2020/mission/instruments/moxie/ |
| 질량 | 15 kg (33 lb) |
| 크기 | 24 × 24 × 31 cm |
| 전력 소비 | 300 W |
| 탑재 우주선 | '퍼서비어런스' |
| 발사 | 2020년 7월 30일 |
| 로켓 | Atlas V 541 |
| 발사 장소 | 케이프 커내버럴 SLC-41 |
2. 역사와 제작 배경
마스 2020에는 약 60개의 장비가 제안되었다.[45] 연구원들은 미래에 화성은 식민지화될 것이고, 그러면 대기 중 96%의 이산화탄소를 산소로 바꾸는 장치를 마스 2020을 통해 한 번 시범 설계 및 가동을 해야한다는 이유로 이 장비를 제안했다.[46][47] 이 제안서의 의견을 받아들여 전체 제안된 60개의 장비 중에서 1개를 뽑았다. 이후 관리는 NASA가, 제작은 MIT와 코펜하겐 대학교가 하고[48][49][50] 닐스 보어 연구소가 조금 도와주기로 결정하였다.[51][52] 샘플 리턴 미션과 MOXIE 임무를 성공하면 화성 유인 탐사의 첫 걸음을 내딛게 된다.[53][54]
MOXIE는 현재 거의 완성되었으며, 화성 환경에서 작동하는지 시험을 진행하고 있다.[5] MOXIE는 화성 현장 추진제 생산 전구체(MIP)를 바탕으로 제작되었다. MIP는 화성 탐사선 2001 랜더 임무에 탑재될 예정이었으며, 이산화탄소 전기 분해를 통해 산소를 생산하는 실험실 규모의 현장 추진제 생산(ISPP)을 시연할 목적이었다.[6] 그러나 MIP 비행 시연은 화성 극지 착륙선 임무 실패 후 화성 탐사선 2001 착륙선 임무가 취소되면서 연기되었다.[7][8]
MOXIE는 화성 대기 가스를 포집, 압축, 가열하여 고체 산화물 전해 전지를 통해 이산화 탄소(CO2)를 산소(O)와 일산화 탄소(CO)로 분리한다. 이 과정에서 산소 원자가 결합하여 기체 산소(O2)를 생성한다.[1][12]
MOXIE는 이전 실험인 화성 현장 추진제 생산 전구체(MIP)를 기반으로 제작되었으며, 이는 화성 탐사선 2001 랜더 임무에 탑재하도록 설계 및 제작되었다.[5] MIP는 이산화탄소의 전기 분해를 사용하여 산소를 생산하는 실험실 규모의 현장 추진제 생산(ISPP)을 시연하기 위한 것이었다.[6] MIP 비행 시연은 화성 극지 착륙선 임무가 실패한 후 화성 탐사선 2001 착륙선 임무가 취소되면서 연기되었다.[7][8]
MOXIE의 수석 연구원(PI)은 매사추세츠 공과대학교(MIT) 헤이스택 천문대의 마이클 H. 헤흐트였다.[9] 부 PI는 MIT 항공우주공학과 전 NASA 우주비행사 제프리 A. 호프만이었다. 프로젝트 매니저는 NASA/칼텍 제트 추진 연구소(JPL)의 제프 멜스트롬이었다. MIT 및 JPL과 함께 주요 기여자는 OxEon Energy(이전의 Ceramatec, Inc.) 및 Air Squared이다. 다른 기여자는 임페리얼 칼리지 런던, Space Exploration Instruments LLC, Destiny Space Systems LLC, 코펜하겐 대학교 닐스 보어 연구소, 애리조나 주립 대학교, 덴마크 공과대학교 등이 있다.[10][11]
2021년 4월 20일, MOXIE는 Solid oxide electrolyzer cell|labet=고체 산화물 전해조영어를 사용하여 화성 대기의 이산화 탄소로부터 산소를 생성했다. 이는 인간이 사용하기 위해 다른 행성에서 천연 자원을 추출한 최초의 실험이다.[30][31] 이 기술은 유인 화성 탐사 임무에 사용하기 위해 규모를 키워 호흡용 산소, 산화제, 그리고 추진제를 제공할 수 있다. 생성된 산소와 수소를 결합하여 물을 생성할 수도 있다.[32]
3. 개발 현황
MOXIE의 수석 연구원(PI)은 매사추세츠 공과대학교(MIT) 헤이스택 천문대의 마이클 H. 헤흐트이다.[9] 부 PI는 MIT 항공우주공학과 전 NASA 우주비행사 제프리 A. 호프만이다. 프로젝트 매니저는 NASA/칼텍 제트 추진 연구소(JPL)의 제프 멜스트롬이다. MIT 및 JPL과 함께 주요 기여자는 OxEon Energy(이전의 Ceramatec, Inc.) 및 Air Squared이다. 다른 기여자는 임페리얼 칼리지 런던, Space Exploration Instruments LLC, Destiny Space Systems LLC, 코펜하겐 대학교의 닐스 보어 연구소, 애리조나 주립 대학교, 덴마크 공과대학교 등이 있다.[10][11]
4. 작동 원리
이 변환에는 약 800°C의 고온이 필요하며,[4] 이트리아 안정화 지르코니아(YSZ)와 같은 특정 세라믹 산화물이 사용된다.[12] 순 반응은 2CO2 → 2CO + O2이며, 질소(N2)나 아르곤(Ar) 같은 불활성 기체는 분리되지 않고 CO, 미사용 CO2와 함께 대기로 배출된다.[1]
4. 1. 상세 과정
MOXIE는 화성 대기 가스를 HEPA 필터, 스크롤 압축기 및 단열재와 함께 사용하여 포집, 압축 및 가열한다.[1] 그런 다음 고체 산화물 전해 전지를 사용하여 이산화 탄소(CO2) 분자를 산소(O)와 일산화 탄소(CO)로 분리한다. 분리된 O 원자는 결합하여 기체 산소(O2)를 형성한다.[12]
이 변환 과정에는 약 800°C의 온도가 필요하다.[4] 고체 산화물 전해 전지는 고온에서[12] 이트리아 안정화 지르코니아(YSZ) 및 도핑된 세리아와 같은 특정 세라믹 산화물이 산화물 이온(O2-) 전기 전도체가 된다는 원리로 작동한다. YSZ(고체 전해질)의 얇고 다공성이 없는 디스크는 두 개의 다공성 전극 사이에 끼워져 있다. CO2는 다공성 전극(음극)을 통해 확산되어 전극-전해질 경계 근처에 도달한다. 열 분해와 전기 촉매 작용의 조합을 통해 산소 원자가 CO2 분자에서 방출되어 음극에서 두 개의 전자를 받아 산화물 이온(O2-)이 된다. 전해질의 결정 격자 내의 산소 이온 공극을 통해 산소 이온은 적용된 직류 전위로 인해 전해질–양극 인터페이스로 이동한다. 이 인터페이스에서 산소 이온은 양극에 전하를 전달하고 다른 산소 원자와 결합하여 산소(O2)를 형성하여 양극에서 확산된다.[1]
따라서 순 반응은 2CO2 → 2CO + O2이다. 질소(N2) 및 아르곤(Ar)과 같은 불활성 기체는 공급물에서 분리되지 않고 일산화 탄소(CO) 및 사용되지 않은 CO2와 함께 대기로 반환된다.[1]
5. 실험 결과 및 의의
MOXIE는 98% 이상의 순도를 가진 산소를 시간당 6~10g 생산하는 것을 목표로 했으며, 2021년 4월 20일 예제로 크레이터에서 첫 산소 생산에 성공하여 약 5.37g의 산소를 생산했다. 이는 우주 비행사가 약 10분 동안 숨쉴 수 있는 양이다.[13] MOXIE는 최대 시간당 10g의 산소를 안전하게 생성하도록 설계되었지만,[14][4] 이론적 생산량은 시간당 12g으로 제한되었다.[1]
MOXIE는 약 2년 (1 화성년) 동안 세 단계에 걸쳐 9번 더 산소 분리 실험을 진행했다. 1단계에서는 추가적인 산소 생산을 조사하고, 2단계에서는 다양한 시간, 계절, 대기 조건에서 기기를 테스트했으며, 3단계에서는 다른 온도에서 산소를 생산하고 작동 방식을 변경하여 생산 차이를 조사했다.[4]
2021년 4월 21일, STMD 부국장 짐 로이터는 "이것은 화성에서 이산화탄소를 산소로 변환하는 중요한 첫 번째 단계"라며, "산소는 우리가 숨쉬는 것뿐만 아니라 로켓 추진제에도 필요하며, 미래 탐험가들은 귀환을 위해 화성에서 추진제를 생산해야 할 것"이라고 말했다.[13]
MOXIE는 총 122g의 산소를 생성했으며, 이는 작은 개가 10시간 동안 숨쉬는 양과 거의 같다. MOXIE는 가장 효율적인 상태에서 98% 이상의 순도로 시간당 12g의 산소를 생산할 수 있었는데, 이는 NASA의 초기 목표의 두 배였다. 2023년 8월 7일, 16번째이자 마지막 작동에서 9.8g의 산소를 만들었다. MOXIE는 모든 기술적 요구 사항을 성공적으로 완료했다.[16]
NASA는 MOXIE가 효율적으로 작동한다면, 약 200배 더 큰 MOXIE 기반 장비와 에서 를 생성할 수 있는 발전소를 화성에 착륙시킬 수 있다고 밝혔다.[1] 이 시스템은 약 1년 동안 최소 시간당 2kg의 산소를 생산하여 2030년대 유인 임무를 지원할 수 있다.[17][18] 저장된 산소는 생명 유지에 사용될 수 있지만, 주된 필요는 화성 귀환용 우주선의 산화제로 사용하기 위함이다.[19][20] 4명의 우주비행사가 1년간 화성에 머무는 임무에서 생명 유지를 위해서는 약 1톤의 산소만 사용되지만, 귀환을 위해서는 약 25톤의 산소가 필요할 것으로 예상된다.[13]
반응의 부산물인 일산화탄소(CO)는 저급 연료로 사용하거나, 물과 반응시켜 메탄(CH4)을 생성하여 주 연료로 사용할 수 있다.[21][22][23] 또한, 산소 생성 시스템은 샘플 반환 임무를 위해 소형 산소 탱크를 채울 수 있으며,[24] 산소는 수소와 결합하여 물을 생성할 수도 있다.[4]
2021년 4월 20일, MOXIE는 Solid oxide electrolyzer cell|labet=고체 산화물 전해조영어를 사용하여 화성 대기의 이산화 탄소로부터 산소를 생성했는데, 이는 인간이 사용하기 위해 다른 행성에서 천연 자원을 추출한 최초의 실험이다.[30][31] 이 기술은 유인 화성 탐사 임무에 사용하기 위해 호흡용 산소, 산화제, 추진제를 제공할 수 있으며, 생성된 산소와 수소를 결합하여 물을 생성할 수도 있다.[32]
이 실험은 매사추세츠 공과대학교, MIT 헤이스택 천문대, NASA/캘리포니아 공과대학 제트 추진 연구소 등의 기관들이 협력하여 진행했다.
6. 기술 사양
MOXIE는 화성 대기 중 이산화탄소(CO2)를 산소(O2)로 전환하는 장치로, NASA가 주도하고 매사추세츠 공과대학교(MIT)와 코펜하겐 대학교 등이 제작에 참여했다.[48][49][50] 이 장치는 화성 식민지 건설 가능성을 염두에 두고 미래에 화성에서 산소를 자체 생산할 수 있는지 시험하기 위해 설계되었다.[46][47]
MOXIE의 주요 목표는 98% 이상의 순도를 가진 산소를 시간당 의 속도로 생산하고, 이를 최소 10회 이상 수행하는 것이었다. 이를 통해 낮과 밤, 먼지 폭풍 등 다양한 환경 조건에서 장치가 안정적으로 작동하는지 확인할 수 있었다.[1]
MOXIE의 주요 제원 및 작동 조건은 다음과 같다.[9][25][26]
| 항목 | 내용 |
|---|---|
| 주요 기능 | 화성 대기 중 이산화탄소로부터 산소 생산 |
| 위치 | 로버 내부 (전면, 오른쪽) |
| 질량 | 17.1 kg |
| 무게 | 지구에서 37.7lbf, 화성에서 14.14lbf |
| 전력 | 300 W |
| 부피 | 9.4x |
| 산소 생산량 | 시간당 최대 |
| 작동 시간 | 실험당 약 1시간, 임무 기간 동안 간헐적으로 수행[9] |
6. 1. MOXIE 상세 구성
MOXIE는 화성 현장 추진제 생산 전구체(MIP)라는 이전 실험을 바탕으로 만들어졌다. MIP는 화성 탐사선 2001 랜더 임무에 탑재될 예정이었으며, 이산화탄소를 전기 분해하여 산소를 만드는 실험실 규모의 현장 추진제 생산(ISPP)을 시연하려 했다.[5][6] 그러나 화성 극지 착륙선 임무 실패로 화성 탐사선 2001 착륙선 임무가 취소되면서 MIP 실험은 연기되었다.[7][8]MOXIE의 수석 연구원(PI)은 매사추세츠 공과대학교(MIT) 헤이스택 천문대의 마이클 H. 헤흐트였다.[9] 부 PI는 MIT 항공우주공학과 교수이자 전 NASA 우주비행사인 제프리 A. 호프만이었다. 프로젝트 매니저는 NASA/칼텍 제트 추진 연구소(JPL)의 제프 멜스트롬이었다. MIT와 JPL 외에도 OxEon Energy(이전의 Ceramatec, Inc.)와 Air Squared 등이 주요 기여자였다. 임페리얼 칼리지 런던, Space Exploration Instruments LLC, Destiny Space Systems LLC, 코펜하겐 대학교 닐스 보어 연구소, 애리조나 주립 대학교, 덴마크 공과대학교 등도 개발에 기여했다.[10][11]
MOXIE는 HEPA 필터로 화성 대기 가스를 포집하고, 스크롤 압축기로 압축하며 단열재를 사용하여 가열한다.[1] 그 후, 고체 산화물 전해 전지를 사용하여 이산화 탄소() 분자를 산소(O)와 일산화 탄소(CO)로 분리한다. 분리된 산소 원자는 결합하여 기체 산소()를 형성한다.[12] 이 변환 과정에는 약 800°C의 고온이 필요하다.[4]
고체 산화물 전해 전지는 고온에서[12] 이트리아 안정화 지르코니아(YSZ) 및 도핑된 세리아와 같은 특정 세라믹 산화물이 산화물 이온(O2–) 전기 전도체가 된다는 원리로 작동한다. 얇고 다공성이 없는 YSZ(고체 전해질) 디스크는 두 개의 다공성 전극 사이에 끼워져 있다. 는 다공성 전극(음극)을 통해 확산되어 전극-전해질 경계 근처에 도달한다. 열 분해와 전기 촉매 작용을 통해 산소 원자가 분자에서 방출되어 음극에서 두 개의 전자를 받아 산화물 이온(O2–)이 된다. 전해질의 결정 격자 내 산소 이온 공극을 통해, 산소 이온은 적용된 직류 전위로 인해 전해질–양극 인터페이스로 이동한다. 이 인터페이스에서 산소 이온은 양극에 전하를 전달하고 다른 산소 원자와 결합하여 산소()를 형성하여 양극에서 확산된다.[1]
결과적으로 순 반응은 + 이다. 질소() 및 아르곤(Ar)과 같은 불활성 기체는 공급물에서 분리되지 않고, 일산화 탄소(CO) 및 사용되지 않은 와 함께 대기로 배출된다.[1]
MOXIE의 주요 기능, 구성 요소, 작동 원리, 재료, 설계 목표 등은 다음과 같다.
| 항목 | 내용 |
|---|---|
| 주요 기능 | 화성 대기 중 이산화탄소로부터 산소 생산 |
| 위치 | 로버 내부 (전면, 오른쪽) |
| 질량 | 17.1 kg |
| 무게 | 지구에서 37.7lbf, 화성에서 14.14lbf |
| 전력 | 300 W |
| 부피 | 9.4x |
| 산소 생산량 | 시간당 최대 10g |
| 작동 시간 | 실험당 약 1시간 동안 산소() 생산, 임무 기간 동안 간헐적으로 수행 |
| 작동 설계 동인 (SOXE) | |
| 가스 흐름 | 내부적으로 순도 및 dP를 위한 매니폴드 |
| 공급 | 건조 30–80 g/hr 범위 |
| 생산물 | 99.6% 순수 , 내부 매니폴딩 |
| 구조 | 발사, EDL 충격 및 진동, 압축 하중 요구 사항을 견딜 수 있도록 견고함 |
| 전력 | 매우 제한적 |
| 질량 | 최대 1kg |
| 부피 | 엄격하게 제한됨 |
| 작동 | 20+ 120분 주기 |
| 가열 램프 | 90분 (약 515°C) 주변 온도(잠재적으로 -40°C)에서 800°C까지. |
| 열 적용 | 엔드플레이트의 히터만[25] |
| 재료 설계 동인 | |
| 상호 연결(IC) | 분말 야금(CFY, Plansee) |
| 씰 | 유리 씰 |
| 전류 버스바 | 브레이징 로드 / 용접 와이어 |
| 공급 매니폴드 | 입구 튜브/내부 매니폴드 순도 |
| 양극 전극 | 페로브스카이트 |
| 음극 전극 | 변형된 자체 서멧 |
| 전해질 | 스칸디아 안정화 지르코니아(ScSZ)[25] |
| 셀 설계 | |
| 셀 수 | 10 (각각 5개의 셀로 2개의 스택으로 배열) |
| 산소 생산 | 시간당 10그램(셀당 >1g/hr)[26] |
| 각 셀 구성 | 전해질(이트리아 안정화 지르코니아(YSZ)), 음극, 양극 |
| 셀 연결 | 고 크롬 합금(세라믹 전해질에 맞는 CTE), 약 100x, 가스 흐름을 위한 매니폴딩 포함[26] |
| 가스 전달 시스템 (스크롤 압축기) | |
| 스크롤 펌프 압축 속도 | 최대 약 1바 |
| 스크롤 펌프 RPM | 저속(2000–4000 RPM) |
| 성능 | 입구 가스: 83 g/hr, P = 7 Torr, T = 20°C, Pin = 120 W, 질량: c. 2 kg[26] |
| 목표 | |
| 작동 주기 | 주요 임무 요구 사항은 총 20번의 주기를 작동할 수 있는 기능 요구:[27] 10번의 주기 사전 비행, 화성에서 10+번의 주기 |
| 자격 및 검증 테스트 | 연장 가능성을 증명하기 위해 60번의 완전 작동 주기를 포함하며, 이는 주요 임무를 위해 계획된 주기의 세 배에 해당[27] |
| 산소 순도 | 수명 종료 시 99.6% 이상 |
| 온도 능력 | -65°C의 내열 온도에서 작동 가능 |
| 압축, 충격 및 진동 요구 사항 | 8kN의 압축력 견딤, 비행 충격 및 진동 요구 사항에 대해 (PF) + 3 dB 레벨 견딤[25] |
7. 관련 기술
MOXIE는 이전 실험인 화성 현장 추진제 생산 전구체(MIP)를 기반으로 제작되었으며, 이는 화성 탐사선 2001 랜더 임무에 탑재하도록 설계 및 제작되었다.[5] MIP는 이산화탄소의 전기 분해를 사용하여 산소를 생산하는 실험실 규모의 현장 추진제 생산(ISPP)을 시연하기 위한 것이었다.[6] MIP 비행 시연은 화성 극지 착륙선 임무가 실패한 후 화성 탐사선 2001 착륙선 임무가 취소되면서 연기되었다.[7]
MOXIE의 수석 연구원(PI)은 매사추세츠 공과대학교(MIT) 헤이스택 천문대의 마이클 H. 헤흐트였다.[9] 부 PI는 MIT 항공우주공학과 전 NASA 우주비행사 제프리 A. 호프만이었다. 프로젝트 매니저는 NASA/칼텍 제트 추진 연구소(JPL)의 제프 멜스트롬이었다. MIT 및 JPL과 함께 주요 기여자는 OxEon Energy(이전의 Ceramatec, Inc.) 및 Air Squared이다. 다른 기여자는 임페리얼 칼리지 런던, Space Exploration Instruments LLC, Destiny Space Systems LLC, 코펜하겐 대학교 닐스 보어 연구소, 애리조나 주립 대학교, 덴마크 공과대학교 등이 있다.[10][11]
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Nasa device extracts breathable oxygen from thin Martian air
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