В первой части мы узнали о двух инструментах, находящихся на роботизированной руке ровера: PIXL и SHERLOC. Здесь мы рассмотрим еще два инструмента, расположенные в нижней части марсохода: георадар RIMFAX и генератор кислорода MOXIE.
RIMFAX
The Radar Imager for Mars' Subsurface Experiment - радарный сканер для подповерхностных исследований Марса - по сути является обычным георадаром, которые на Земле хорошо себя зарекомендовали в инженерных и научных исследований (например, в археологии). Они используются для изучения ледников в Арктике и Антарктике, помогают нам обнаруживать фугасы, подземные кабели, провода и трубы, древние человеческие артефакты и даже захороненные сокровища.
Радиолокационный метод исследования базируется на том, что радиоволны ведут себя точно так же, как и остальные электромагнитные волны - они могу преломляться, отражаться, дифрагировать и интерферировать. При помощи антенны излучаются наносекундные импульсы радиоволн мега- и гигагерцового диапазона (метровый и дециметровый диапазон), часть волн отражается от границ раздела слоев и детектируется. Зная скорость распространения волн в среде и время, за которое волна прошла от препятствия до антенны, можно установить глубину этого препятствия. Кроме того, зная затухание радиоволны (насколько уменьшилась амплитуда испущенной волны), можно сделать вывод о природе исследуемой породы. Из полученной информации формируется двухмерное изображение субповерхности, называемое радарграммой.
Георадар создан группой норвежских ученых и инженеров и выбран NASA для установки на ровер для получения стратиграфической информации высокого разрешения. Он работает в широком частотном диапазоне - от 150 МГц до 1,2 ГГц - и способен измерять глубину с разрешением по вертикали вплоть до 14,2 см. RIMFAX прошел успешные испытания при изучении геоморфологии ледника Ловенбрин в Норвегии, запросто обнаруживая подо льдом полости, заполненные водой, и скалистое основание. Георадар испытали также Национальном парке Корал Пинк Санд Дюнс в США, штат Юта.
На Марсе RIMFAX будет работать в двух режимах: с основной частотой 675 МГц - для неглубокого, поверхностного изучения; и с частотой 375 МГц - изучения глубинной морфологии. Предполагается, что возможно будет изучить, как минимум, 10 м подповерхностного слоя. Это должно позволить нам получить изображение целого ряда подземных структур, которые могут там присутствовать, включая русла ручьев, эоловые, ледниковые и вулканические отложения, а также объекты, связанные с метеоритными ударами. Радар будет собирать данные через каждые 10 см во время движения марсохода, а также изучать динамику изменения сигнала во времени, пока марсоход будет стоять.
Уже сейчас в распоряжении ученых есть кое-какая информация о геоморфологии места посадки Perseverance. Кратер Езеро (45 км в диаметре), куда приземлился ровер, расположен на северо-западном краю большего кратера Исида (1900 км в диаметре). Исида - древний кратер, он образовался 3,95 - 3,97 млрд. лет назад в Нойскую эру . Время образования озера Езеро весьма неопределенно, возможно толщина донных отложений, которую может определить георадар, поможет с этим разобраться. RIMFAX выявит положение слоев внутри дельты и может предоставить необходимую информацию о ее эволюции, включая, возможно, ее вертикальную протяженность и положение каналов. Он также сможет обнаружить возможные озерные отложения, которые прольют свет на эволюцию речной системы в целом.
MOXIE
The Mars Oxygen In-Situ Resource Utilization Experiment - эксперимент по использованию ресурсов кислорода на Марсе In-Situ - установка для проверки возможности производства кислорода из углекислого газа в марсианских условиях. Производство кислорода будет жизненно необходимо будущим колониям, так как на Марсе его гораздо меньше, чем на Земле. Атмосфера Марса на 95,3 % состоит из углекислого газа, кислорода в ней только 0,15 %, против 21 % на Земле. Планируется, что устройство будет подвергать поглощенный углекислый газ электролизу, при котором будет получаться чистый кислород.
Электролиз - это окислительно-восстановительный процесс, протекающий в электролите под действием электрического тока. Причем процессы окисления и восстановления пространственно разделены: окисление протекает на аноде (положительно заряженном электроде), а восстановление - на катоде (заряжен отрицательно). Это очень удобно, потому что становится легко отделить продукты окисления от продуктов восстановления.
MOXIE - твердооксидный электролизер, т. е. вместо типичного электролита в виде жидкого раствора роль электролита в нем будет выполнять твердый оксидный материал, а именно оксид циркония, стабилизированный оксидом иттрия (YSZ). На Земле этот материал довольно популярен в подобных конструкциях для генерации синтез-газа (смесь угарного газа и водорода), в топливных элементах, а также в датчиках кислорода. Дело в том, что оксид циркония является т. н. твердым электролитом - при определенных условиях (температура 800 °С, градиент концентрации кислорода и/или разность электрических потенциалов) анионы кислорода без труда проходят сквозь его кристаллическую решетку.
Твердый электролит (YSZ) помещен между двумя пористыми электродами. Система сбора и сжатия углекислого газа вытягивает марсианскую атмосферу извне марсохода через фильтр до создания в ней давления ~1 атмосферы. Затем сжатый газ подается в твердооксидный электролизер, где поглощается катодом, диффундирует до границы электрод/электролит и на ней начинает поглощать электроны от аккумулятора (восстанавливаться). Образующийся оксид углерода (II) вытесняется из катода вновь поступающим оксидом углерода (IV), а образовавшийся двухзарядный анион кислорода за счет разности потенциалов на границах электролита движется к аноду, где на границе электролит/электрод "отдает" свои электроны аноду, становясь атомарным кислородом. В таком состоянии кислород долго существовать не может, атомы объединяются в молекулу кислорода. За счет диффузии кислород покидает пористый анод и попадает в анализатор для контроля качества произведенного газа. Цель эксперимента - получить кислород чистотой 99,6+ %.
Основываясь на эффективности электролитического процесса, рассчитанной на основе измерений расхода и состава, параметры управления генератором кислорода, такие как расход входящего углекислого газа, температура и приложенное напряжение, используются для оптимизации производства кислорода в условиях окружающей среды Марса.
MOXIE рассчитан на 50 солов работы (51 день на Земле) и будет производить до 20 г кислорода в час. Это тестовая модель размером с автомобильный аккумулятор, будущие генераторы кислорода, способные поддерживать пилотируемые миссии на Марс, должны быть примерно в 100 раз больше.
"Когда мы отправим людей на Марс, то захотим, чтобы они благополучно вернулись, а для этого им понадобится ракета, которая сможет взлететь с планеты. Жидкое кислородное топливо - это то, что мы могли бы сделать там, и не должны были бы привозить с собой. Одной из идей было бы привести пустой кислородный баллон и заполнить его на Марсе"
Майкл Хечт, Массачусетский институт технологий
Источники:
- nasa.gov
- Hamran, SE., Paige, D.A., Amundsen, H.E.F. et al. Radar Imager for Mars’ Subsurface Experiment - RIMFAX. Space Sci Rev 216, 128 (2020). https://doi.org/10.1007/s11214-020-00740-4
- Glaciers online - www.swisseduc.ch