મંગળ પર ઓક્સિજન ફેક્ટરી: નાસાના MOXIE ઉપકરણની તકનીકી ક્રાંતિ અને કાર્યપદ્ધતિ

પૃથ્વી સિવાયના અન્ય કોઈ ગ્રહ પર સ્થિત નૈસર્ગિક સંસાધનોનો ઉપયોગ કરીને માનવ ઉપયોગ માટે ઓક્સિજન બનાવવાની ઐતિહાસિક સિદ્ધિ નાસા (NASA) ના 'પર્સેવરન્સ' (Perseverance) રોવરે મેળવી છે. ૨૦ એપ્રિલ ૨૦૨૧ ના રોજ, પર્સેવરન્સ રોવરમાં જડેલા 'મોક્સી' (MOXIE - Mars Oxygen In-Situ Resource Utilization Experiment) નામના ઉપકરણે મંગળના જેઝેરો ક્રેટેર (Jezero Crater) ખાતે પ્રથમ વખત કાર્બન ડાયોક્સાઇડમાંથી ઓક્સિજન ઉત્પન્ન કરીને બતાવ્યો હતો. આ પ્રથમ પ્રયોગમાં MOXIE એ ૫.૩૭ ગ્રામ ઓક્સિજન બનાવ્યો હતો, જે એક અવકાશયાત્રીને આશરે ૧૦ મિનિટ સુધી શ્વાસ લેવા માટે પૂરતો હતો.

આ ટેકનોલોજી ડેમોન્સ્ટ્રેશન મિશન પાછળનો મુખ્ય ઉદ્દેશ્ય મંગળના અતિ પાતળા વાતાવરણમાંથી સફળતાપૂર્વક ઓક્સિજન છૂટો પાડી શકાય છે કે નહીં તેની ચકાસણી કરવાનો હતો. ૭ ઓગસ્ટ ૨૦૨૩ ના રોજ પોતાના ૧૬મા અને અંતિમ પ્રયોગમાં MOXIE એ ૯.૮ ગ્રામ ઓક્સિજન ઉત્પન્ન કર્યો હતો. સમગ્ર બે પૃથ્વી વર્ષ અથવા એક માર્સિયન વર્ષ દરમિયાન ચાલેલા પ્રયોગોમાં MOXIE એ કુલ ૧૨૨ ગ્રામ ઓક્સિજનનું ઉત્પાદન કર્યું હતું, જે એક નાના કૂતરાને ૧૦ કલાક શ્વાસ લેવા માટે પૂરતો છે.

MOXIE સાધન એ મેસાચુસેટ્સ ઇન્સ્ટિટ્યૂટ ઓફ ટેકનોલોજી (MIT), હેસ્ટેક ઓબ્ઝર્વેટરી, નાસાની જેટ પ્રોપલ્શન લેબોરેટરી (JPL) અને ઓક્સોન એનર્જી (OxEon Energy) ના સંયુક્ત સહયોગનું પરિણામ છે. આ પ્રોજેક્ટના મુખ્ય અન્વેષક (Principal Investigator) MIT ના માઇકલ હેક્ટ (Michael Hecht) હતા, જ્યારે નાસાના ભૂતપૂર્વ અવકાશયાત્રી જેફરી હોફમેન (Jeffrey Hoffman) ડેપ્યુટી PI તરીકે સેવા આપતા હતા. JPL ના જેફ મેલસ્ટ્રોમ (Jeff Mellstrom) આ પ્રોજેક્ટના મેનેજર હતા. આ સિવાય એર સ્ક્વેર્ડ, ઇમ્પીરિયલ કોલેજ લંડન, ડેનમાર્કની ટેકનિકલ યુનિવર્સિટી અને એરિઝોના સ્ટેટ યુનિવર્સિટી જેવા સંસ્થાન પણ તેમાં સહભાગી હતા.

MOXIE નો મૂળ વિચાર તેના અગાઉના પ્રયોગ MIP (Mars In-situ propellant production Precursor) પર આધારિત હતો, જે 'માર્સ સર્વેયર ૨૦૦૧ લેન્ડર' મિશન માટે ડિઝાઇન કરવામાં આવ્યો હતો. જોકે, માર્સ પોલર લેન્ડર મિશન નિષ્ફળ ગયા બાદ ૨૦૦૧ ના લેન્ડર મિશનને રદ કરવામાં આવ્યું હતું. પાછળથી પર્સેવરન્સ રોવર મિશન હેઠળ આ ટેકનોલોજીને પુનઃજીવિત કરવામાં આવી અને રોવરના અંદરના ભાગમાં ગોઠવવામાં આવી.

MOXIE સાધન ઘન ઓક્સાઇડ ઇલેક્ટ્રોલાઇસિસ (solid oxide electrolysis: ઊંચા તાપમાને વિદ્યુત પ્રવાહ વડે વાયુઓને છૂટા પાડવાની પ્રક્રિયા) ના સિદ્ધાંત પર કામ કરે છે. મંગળનું વાતાવરણ મુખ્યત્વે કાર્બન ડાયોક્સાઇડ (CO2) વાયુનું બનેલું છે. MOXIE ની કામગીરીમાં સૌપ્રથમ એક HEPA ફિલ્ટર (HEPA filter: હવામાંથી અતિ સૂક્ષ્મ કણો દૂર કરતી ગાળણ પ્રક્રિયા) દ્વારા મંગળની હવાને અંદર ખેંચવામાં આવે છે. ત્યાર બાદ સ્ક્રોલ કમ્પ્રેસર (scroll compressor: વાયુને સંકોચીને દબાણ વધારતો પમ્પ) ની મદદથી વાયુનું દબાણ આશરે ૧ બાર (bar) સુધી વધારવામાં આવે છે.

હવાને કમ્પ્રેસ કર્યા બાદ હીટર વડે તેને આશરે ૮૦૦ ડિગ્રી સેલ્સિયસ (800 °C) ના અતિ ઉચ્ચ તાપમાન સુધી ગરમ કરવામાં આવે છે. આ તાપમાન સુધી પહોંચવા માટે આશરે ૯૦ મિનિટનો સમય લાગે છે. ઘન ઓક્સાઇડ ઇલેક્ટ્રોલાઇસિસ સેલ (SOEC) નો પાયો એ છે કે ઉચ્ચ તાપમાને યિટ્રિયા-સ્ટેબિલાઇઝ્ડ ઝિરકોનિયા (YSZ) અથવા સ્કેન્ડિયા-સ્ટેબિલાઇઝ્ડ ઝિરકોનિયા (ScSZ) જેવા સેરેમિક ઓક્સાઇડ આયન (O2–) ના વાહક બને છે.

YSZ ની પાતળી બિન-છિદ્રાળુ ડિસ્કને બે છિદ્રાળુ ઇલેક્ટ્રોડ્સ વચ્ચે રાખવામાં આવે છે. કેથોડ (cathode: ઋણ ઇલેક્ટ્રોડ) પર પહોંચીને CO2 અણુનું થર્મલ વિઘટન અને ઇલેક્ટ્રોકેટાલિસિસ થાય છે. આ પ્રક્રિયામાં CO2 માંથી ઓક્સિજનનો પરમાણુ મુક્ત થાય છે અને કેથોડમાંથી બે ઇલેક્ટ્રોન મેળવીને ઓક્સાઇડ આયન (O2–) બને છે. અપ્લાઇડ ડીસી પોટેન્શિયલ (DC potential) ના કારણે આ આયન ક્રિસ્ટલ લેટિસની ખાલી જગ્યાઓમાંથી પસાર થઈને એનોડ (anode: ધન ઇલેક્ટ્રોડ) તરફ વહે છે.

એનોડ પૃષ્ઠ પર પહોંચીને ઓક્સાઇડ આયન પોતાનો ચાર્જ મુક્ત કરે છે અને અન્ય ઓક્સિજન પરમાણુ સાથે જોડાઈને શુદ્ધ ઓક્સિજન વાયુ (O2) બનાવે છે. આ સમગ્ર પ્રક્રિયાનું રાસાયણિક સમીકરણ 2 CO2 ⟶ 2 CO + O2 છે. આ પ્રક્રિયા દરમિયાન બાયપ્રોડક્ટ તરીકે ઉત્પન્ન થતો કાર્બન મોનોક્સાઇડ (CO) તેમજ વાતાવરણમાંથી આવેલા નાઇટ્રોજન (N2) અને આર્ગોન (Ar) વાયુઓ ઓક્સિજનથી અલગ રહીને મંગળના વાતાવરણમાં પરત છોડી દેવામાં આવે છે.

MOXIE ની ભૌતિક રચના અત્યંત જટિલ અને સુક્ષ્મ ક્ષમતા ધરાવે છે. આ ઉપકરણનું એકંદર કદ ૨૪ સેમી × ૨૪ સેમી × ૩૧ સેમી છે અને તેનું કુલ વજન ૧૭.૧ કિલોગ્રામ છે. પૃથ્વી પર તેનું વજન ૩૭.૭ પાઉન્ડ (૧૬૮ ન્યૂટન) થાય છે, જ્યારે મંગળના ઓછા ગુરુત્વાકર્ષણમાં તેનું વજન ૧૪.૧૪ પાઉન્ડ (૬૨.૯ ન્યૂટન) રહે છે. આ આખું સાધન ૩૦૦ વોટ ઊર્જા પર કાર્ય કરે છે, જે રોવરની પાવર સપ્લાય દ્વારા પૂરી પાડવામાં આવે છે.

ગેસ મેળવવા માટે વપરાતો સ્ક્રોલ પમ્પ ૨૦૦૦ થી ૪૦૦૦ RPM ના ઓછા દરે ફરે છે. તે ૭ ટોર્ (Torr) દબાણ અને ૨૦ °C તાપમાને રહેલા મંગળના વાયુને કલાકના ૮૩ ગ્રામના દરે અંદર ખેંચીને ૧૨૦ વોટ પાવર વપરાશ સાથે કમ્પ્રેસ કરે છે. ઇલેક્ટ્રોલાઇસિસ વિભાગમાં ૫-૫ સેલના બે સ્ટેક એમ કુલ ૧૦ કોષો ગોઠવાયેલા છે. આ કોષો વચ્ચેના ઇન્ટરકનેક્ટ પાવડર મેટાલોજી (CFY Plansee) થી બનેલા છે. સેરેમિક અને મેટલ વચ્ચે યોગ્ય સીલિંગ માટે ગ્લાસ સીલનો ઉપયોગ કરાયો છે. ઇલેક્ટ્રોડ્સ તરીકે એનોડમાં પેરોવસ્કાઇટ (Perovskite) અને કેથોડમાં મોડિફાઇડ સિરમેટ (Cermet) નો ઉપયોગ થયો છે.

નાસાના મૂળ ધ્યેય અનુસાર MOXIE સાધનને કલાકના ૬ થી ૧૦ ગ્રામ ઓક્સિજન ઓછામાં ઓછી ૯૮% શુદ્ધતા સાથે ઉત્પન્ન કરવા માટે બનાવવામાં આવ્યું હતું. પરંતુ પ્રયોગો દરમિયાન MOXIE એ અપેક્ષા કરતાં બમણું, એટલે કે કલાકના ૧૨ ગ્રામ સુધી ઓક્સિજન ૯૯.૬% શુદ્ધતા સાથે ઉત્પન્ન કરવાનો રેકોર્ડ બનાવ્યો હતો. ૪ એમ્પીયરની રોવર પાવર સપ્લાય ક્ષમતાના કારણે તેનો સિદ્ધાંતિક ઉત્પાદન દર ૧૨ ગ્રામ સુધી જ સીમિત હતો.

નાસા અને MIT ની ભવિષ્યની યોજના મંગળ પર માનવ મિશન મોકલવા માટે આ ટેકનોલોજીનો વ્યાપક ઉપયોગ કરવાની છે. જો ૨૦૩૦ ના દશકમાં મંગળ પર ૪ અવકાશયાત્રીઓને એક વર્ષ માટે મોકલવામાં આવે, તો તેમને શ્વાસ લેવા અને જીવન ટકાવી રાખવા (life support) માટે આખા વર્ષમાં માત્ર ૧ મીટ્રિક ટન ઓક્સિજનની જરૂર પડે છે. પરંતુ મંગળ પરથી પૃથ્વી તરફ પરત ઉડાન ભરવા માટેના માર્સ એસેન્ટ વ્હીકલ (Mars Ascent Vehicle) ના રોકેટ ઇંધણ અને ઓક્સિડાઇઝર તરીકે આશરે ૨૫ મીટ્રિક ટન ઓક્સિજનની જરૂર પડે છે.

પૃથ્વી પરથી ૨૫ ટન ઓક્સિજન મંગળ સુધી લઈ જવો અત્યંત ખર્ચાળ અને મુશ્કેલ છે. તેટલા માટે પૃથ્વી પરથી ઓક્સિજન લઈ જવાને બદલે મંગળ પર જ MOXIE આધારિત ૨૦૦ ગણું મોટું પ્લાન્ટ સ્થાપિત કરવાનો પ્રસ્તાવ છે. આ કદનો પ્લાન્ટ ૨૫ થી ૩૦ કિલોવોટ ઊર્જાનો ઉપયોગ કરીને પ્રતિ કલાક ૨ કિલોગ્રામથી વધુ ઓક્સિજનનું ઉત્પાદન કરી શકશે. ૧ પૃથ્વી વર્ષમાં આ પ્લાન્ટ મંગળ પર જ રોકેટ માટે જરૂરી ૨૫ ટન ઓક્સિજન તૈયાર કરી દેશે. આ સિવાય બાયપ્રોડક્ટ તરીકે મળતા કાર્બન મોનોક્સાઇડનો ઉપયોગ મિથેન બનાવવા માટે પણ થઈ શકે છે.