MOXIE 在火星制造出首批可呼吸氧气：五年后的回顾

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"title": "一线希望：人类在火星制造氧气已过去五年",
"description": "五年前，NASA的MOXIE通过从火星大气中提取氧气创造了历史。探索这一吐司机大小的奇迹所留下的遗产，以及火星旅行的未来。",
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改变一切的那一天

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在火星上一处古老干涸的湖床中央，停放着一台六轮机器人，其腹部内的一个小金盒开始散发出如熔炉般的光芒。那是2021年4月21日，耶泽罗撞击坑（Jezero Crater）一如既往，是一片寒冷、荒凉、布满铁锈色尘埃和二氧化碳的广袤大地。但在“毅力号”（Perseverance）火星车内部，奇迹正在发生。名为MOXIE的仪器已经预热了两个小时，其内部陶瓷电池的温度达到了惊人的800摄氏度——比披萨烤炉还要热，几乎是金星表面温度的两倍。

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在NASA喷气推进实验室（JPL）和麻省理工学院（MIT），工程师们屏住了呼吸。他们寻找的不是水或古代生命的迹象，那通常是火星探测的目标。他们寻找的是空气。具体来说，他们正在等待观察一台机器是否能做到地球上树木所做的事情：吸入二氧化碳并呼出氧气。当第一批数据包跨越数百万英里的虚空传回时，确认信息十分明确。在其运行的第一个小时内，该设备产生了约5.4克氧气。这点氧气仅够宇航员维持十分钟生命，但在太空探索史上，这几克氧气承载了一个新时代的重量。

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这是人类首次利用另一个星球的原材料制造出维持生命的资源。那一刻，在火星生活的梦想从科幻小说领域转向了化学工程的具体现实。五年后，那次在火星上的第一次“呼吸”依然是所有未来载人任务赖以建立的基石。

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实际发生的情况

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“火星氧气原位资源利用实验”（Mars Oxygen In-Situ Resource Utilization Experiment，简称MOXIE），其初衷并非是为了独立支持宇航员生存。它是一个概念验证，一个旨在证明我们可以“就地取材”的“探路者”。挑战是巨大的。火星大气层是一层稀薄、令人窒息的笼罩物，其中96%是二氧化碳。对人类而言，这本质上是一个充满了毒气的真空环境。

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五年前的那段历史时刻，MOXIE通过吸入火星空气开始了它的工作。它利用机械压缩机对稀薄气体进行加压，直至其达到地球海平面大气压。随后，这些气体被送入固体氧化物电解槽。这就是魔法——或者更准确地说是严谨的化学过程——发生的地方。通过施加极高的热量和电力，MOXIE的陶瓷电池将氧原子从二氧化碳分子（CO2）中剥离出来。剩下的产物是氧气（O）和作为废弃物的碳氧化物（CO），后者被排回火星大气层中。

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氧气的纯度是关键指标。如果设备产生的氧气中夹杂着有毒副产品，那它就无法用于生命支持。结果超出了所有人的预期。产生的氧气纯度高达98%，这种质量足以让人类安全呼吸，或用作火箭的高等级推进剂。在第一次运行期间，团队观察到传感器数据出现波动并最终趋于稳定，证明即使在火星环境波动的气压下，生存化学反应依然稳定可靠。

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背后的团队

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MOXIE的成功不仅仅是硬件的胜利，更是由一群多元化的科学家和梦想家共同拥有的特定愿景的体现。负责人是麻省理工学院海斯塔克天文台（MIT Haystack Observatory）的首席研究员Michael Hecht。Hecht是“凤凰号”火星着陆器任务的资深专家，他深知如果我们想留在火星，就不能总把所有物资背在身上带去。

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与他并肩工作的是Jeffrey Hoffman，他的参与为该项目带来了深远的厚重感。Hoffman不仅是麻省理工学院的航空航天教授，还是一位曾执行过五次航天飞机任务的前NASA宇航员。他曾透过哈勃太空望远镜的舷窗向外眺望，也曾在太空真空中漂浮。对于Hoffman来说，氧气不是白板上的化学符号；它是生命与恐怖死亡之间的那条细线。他的视角将该项目从一个实验室的好奇实验提升到了生存必需品的高度。

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此外还有NASA总部的支持者，如Jim Reuter和Trudy Kortes。是他们力争将MOXIE纳入“毅力号”火星车任务。火星车上的空间是太阳系中最昂贵的房地产，每一克重量都要精打细算。许多人认为火星车应该完全专注于地质学和生命搜寻。Reuter和Kortes则反驳道，如果我们发现火星上有生命，我们最终会想要亲自前往研究——而没有呼吸手段，这一切都无从谈起。

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世界为何如此反应

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当2021年4月21日消息传出时，新闻头条并没有关注固体氧化物电解的技术细节。相反，媒体将其誉为行星资源生产的“莱特兄弟时刻”。这个比喻很贴切。就像莱特兄弟第一次尝试时并没有制造出跨大西洋客机，而只是造出了一架飞行了十二秒的脆弱木制飞机一样，MOXIE也没有直接建起一个殖民地。它证明了这一目标在物理学上是可行的。

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公众的反应是直觉性的。几十年来，火星探索的叙事一直围绕着“只看，不碰”。我们派遣摄像头拍照，派遣铲子挖掘泥土。MOXIE改变了这种动态。这是我们第一次主动操纵另一个星球的环境来创造我们需要的东西。它让在火星留下人类足迹的愿景不再仅仅是幻想，而更像是一项已被排上日程的事件。

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从政治层面来看，MOXIE是一着妙棋。它为NASA空间技术任务理事会提供了一个切实且易于理解的胜利。它展示了“原位资源利用”（ISRU）的价值，这个听起来像行话的术语实际上意味着“可持续的太空旅行”。它让立法者确信，“从月球到火星”的架构不仅仅是为了建造更大的火箭，而是为了建立更智能的系统，这些系统最终可以通过减少从地球发射的大规模货物需求来实现自我价值。

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我们现在所知

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五年后，MOXIE成功的全部意义甚至比那最初的5克氧气运行更加令人印象深刻。该仪器不仅成功运行了一次；它在整个任务周期内都表现出色，该任务于2023年9月正式结束。在16次独立运行中，MOXIE总共产生了122克氧气。虽然这听起来可能仍然很少——大约相当于一只小狗呼吸十小时的量——但其一致性才是最重要的。

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科学家们现在知道，MOXIE几乎可以在火星抛出的任何条件下运行。它在白天当太阳温暖火星车时工作，也在寒冷的火星夜晚工作。它在季节交替、大气密度发生变化时工作。它甚至在沙尘暴中依然有效。这种可靠性证明了该技术足够稳健，可以进行规模化扩展。我们不再怀疑我们是否能在火星上制造氧气；我们只需要决定工厂要建多大。

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此外，从MOXIE收集的数据使工程师们深入了解了火星尘埃如何影响敏感的机械压缩机。他们学会了如何管理将设备加热到800°C所带来的热应力，而在该星球上，外部温度往往低至-60°C。这种“现实世界”的经验是地球上任何实验室都无法完美模拟的。

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遗产——它如何塑造当今科学

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MOXIE的遗产目前正在NASA和私营航天公司的设计办公室中书写。我们现在正见证着“大型MOXIE”或“MOXIE 2.0”的开发。这个未来的系统将大约有一个集装箱那么大，是原来吐司机大小版本的200到300倍。

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MOXIE遗产的真正天才之处在于火箭科学的数学计算。虽然我们通常认为氧气是给宇航员呼吸的，但在火星上产生的大部分氧气将不会用于肺部——而是用于发动机。为了将四名宇航员从火星表面发射回地球，火箭需要约7公吨燃料和令人瞠目的25至30公吨液氧。

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在MOXIE之前，这30吨氧气必须全部从地球运送，这需要一个更大、更昂贵的火箭来携带它。现在，多亏了那个金色小盒子，我们知道我们可以将空罐发送到火星，并利用大气本身将其充满。这一认识将人类火星任务的预计成本降低了数十亿美元。MOXIE不仅给了我们一口呼吸的氧气，还给了我们一张回家的票。

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今天，当我们回顾那最初几克氧气诞生五周年时，我们意识到MOXIE是连接两个世界的真正桥梁。它教会了我们，火星不仅仅是一个可以参观的地方，只要我们足够聪明，懂得利用红色星球所提供的一切，它就是一个我们可以生存的地方。

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速览：MOXIE里程碑

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• 首次氧气生产：2021年4月21日
• 总产氧量：16次运行共122克
• 工作温度：800°C（1,472°F）
• 仪器涂层：一层薄金，防止热量损坏“毅力号”火星车。
• 重量：在地球上为17.1千克（约37.7磅）。
• 比例：要将机组人员送离火星，我们需要30吨氧气——MOXIE是实现该目标的1:200比例先行者。
• 科学术语：固体氧化物电解（SOE），本质上是一个反向运行的燃料电池。

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