मंगल पर ऑक्सीजन फैक्ट्री: नासा के MOXIE उपकरण की तकनीकी क्रांति और कार्यपद्धति

पृथ्वी के अलावा अन्य किसी ग्रह पर स्थित नैसर्गिक संसाधनों का उपयोग करके मानव उपयोग के लिए ऑक्सीजन बनाने की ऐतिहासिक उपलब्धि नासा (NASA) के 'पर्सेवरेन्स' (Perseverance) रोवर ने हासिल की है। २० अप्रैल २०२१ के दिन, पर्सेवरेन्स रोवर में जड़े 'मोक्सी' (MOXIE - Mars Oxygen In-Situ Resource Utilization Experiment) नामक उपकरण ने मंगल के जेजेरो क्रेटर (Jezero Crater) पर पहली बार कार्बन डाइऑक्साइड से ऑक्सीजन उत्पन्न करके दिखाया था। इस पहले प्रयोग में MOXIE ने ५.३७ ग्राम ऑक्सीजन बनाया था, जो एक अंतरिक्ष यात्री को लगभग १० मिनट तक सांस लेने के लिए पर्याप्त था।

इस टेक्नोलॉजी डेमोस्ट्रेशन मिशन के पीछे मुख्य उद्देश्य मंगल के अति पतले वायुमंडल से सफलतापूर्वक ऑक्सीजन अलग किया जा सकता है या नहीं इसकी जांच करना था। ७ अगस्त २०२३ को अपने १६वें और अंतिम प्रयोग में MOXIE ने ९.८ ग्राम ऑक्सीजन उत्पन्न किया था। पूरे दो पृथ्वी वर्ष या एक मार्सियन वर्ष के दौरान चले प्रयोगों में MOXIE ने कुल १२२ ग्राम ऑक्सीजन का उत्पादन किया, जो एक छोटे कुत्ते को १० घंटे सांस लेने के लिए पर्याप्त है।

MOXIE उपकरण मैसाचुसेट्स इंस्टीट्यूट ऑफ टेक्नोलॉजी (MIT), हेस्टैक ऑब्जर्वेटरी, नासा की जेट प्रोपल्शन लेबोरेटरी (JPL) और ऑक्सोन एनर्जी (OxEon Energy) के संयुक्त सहयोग का परिणाम है। इस प्रोजेक्ट के मुख्य अन्वेषक (Principal Investigator) MIT के माइकल हेक्ट (Michael Hecht) थे, जबकि नासा के पूर्व अंतरिक्ष यात्री जेफरी हॉफमैन (Jeffrey Hoffman) डिप्टी PI के रूप में सेवा दे रहे थे। JPL के जेफ मेलस्ट्रॉम (Jeff Mellstrom) इस प्रोजेक्ट के मैनेजर थे। इसके अलावा एयर स्क्वेर्ड, इंपीरियल कॉलेज लंदन, डेनमार्क की टेक्निकल यूनिवर्सिटी और एरिज़ोना स्टेट यूनिवर्सिटी जैसे संस्थान भी इसमें सहभागी थे।

MOXIE का मूल विचार उसके पिछले प्रयोग MIP (Mars In-situ propellant production Precursor) पर आधारित था, जिसे 'मार्स सर्वेयर २००१ लैंडर' मिशन के लिए डिज़ाइन किया गया था। हालांकि, मार्स पोलर लैंडर मिशन असफल होने के बाद २००१ के लैंडर मिशन को रद्द कर दिया गया था। बाद में पर्सेवरेन्स रोवर मिशन के तहत इस तकनीक को पुनर्जीवित किया गया और रोवर के अंदरूनी हिस्से में स्थापित किया गया।

MOXIE उपकरण ठोस ऑक्साइड इलेक्ट्रोलिसिस (solid oxide electrolysis: ऊंचे तापमान पर विद्युत प्रवाह द्वारा गैसों को अलग करने की प्रक्रिया) के सिद्धांत पर काम करता है। मंगल का वायुमंडल मुख्य रूप से कार्बन डाइऑक्साइड (CO2) गैस से बना है। MOXIE के संचालन में सबसे पहले एक HEPA फिल्टर (HEPA filter: हवा से अति सूक्ष्म कणों को दूर करने वाली निस्यंदन प्रक्रिया) द्वारा मंगल की हवा को अंदर खींचा जाता है। उसके बाद स्क्रॉल कंप्रेसर (scroll compressor: गैस को संकुचित करके दबाव बढ़ाने वाला पंप) की मदद से गैस का दबाव लगभग १ बार (bar) तक बढ़ाया जाता है।

हवा को कंप्रेस करने के बाद हीटर द्वारा इसे लगभग 800 डिग्री सेल्सियस (800 °C) के अति उच्च तापमान तक गर्म किया जाता है। इस तापमान तक पहुँचने में लगभग 90 मिनट का समय लगता है। सॉलिड ऑक्साइड इलेक्ट्रोलेसिस सेल (SOEC) का आधार यह है कि उच्च तापमान पर यिट्रिया-स्टेबिलाइज्ड जिरकोनिया (YSZ) या स्कैंडिया-स्टेबिलाइज्ड जिरकोनिया (ScSZ) जैसे सिरेमिक ऑक्साइड आयन (O2–) के वाहक बन जाते हैं।

YSZ की एक पतली गैर-छिद्रपूर्ण डिस्क को दो छिद्रपूर्ण इलेक्ट्रोड्स के बीच रखा जाता है। कैथोड (cathode: ऋण इलेक्ट्रोड) पर पहुँचकर CO2 अणु का थर्मल विघटन और इलेक्ट्रोकैटालिसिस होता है। इस प्रक्रिया में CO2 से ऑक्सीजन का परमाणु मुक्त होता है और कैथोड से दो इलेक्ट्रॉन प्राप्त करके ऑक्साइड आयन (O2–) बनता है। अप्लाइड डीसी पोटेंशियल (DC potential) के कारण यह आयन क्रिस्टल लैटिस के रिक्त स्थानों से गुजरते हुए एनोड (anode: धन इलेक्ट्रोड) की ओर प्रवाहित होता है।

एनोड पृष्ठ पर पहुँचकर ऑक्साइड आयन अपना चार्ज मुक्त करता है और अन्य ऑक्सीजन परमाणु के साथ जुड़कर शुद्ध ऑक्सीजन गैस (O2) बनाता है। इस पूरी प्रक्रिया का रासायनिक समीकरण 2 CO2 ⟶ 2 CO + O2 है। इस प्रक्रिया के दौरान उप-उत्पाद (बायप्रोडक्ट) के रूप में उत्पन्न कार्बन मोनोऑक्साइड (CO) के साथ-साथ वातावरण से आए नाइट्रोजन (N2) और आर्गन (Ar) गैसें ऑक्सीजन से अलग रहकर मंगल के वातावरण में वापस छोड़ दी जाती हैं।

MOXIE की भौतिक संरचना अत्यंत जटिल और सूक्ष्म क्षमता वाली है। इस उपकरण का कुल आकार 24 सेमी × 24 सेमी × 31 सेमी है और इसका कुल वजन 17.1 किलोग्राम है। पृथ्वी पर इसका वजन 37.7 पाउंड (168 न्यूटन) होता है, जबकि मंगल के कम गुरुत्वाकर्षण में इसका वजन 14.14 पाउंड (62.9 न्यूटन) रहता है। यह पूरा उपकरण 300 वाट ऊर्जा पर कार्य करता है, जो रोवर की पावर सप्लाई द्वारा प्रदान की जाती है।

गैस प्राप्त करने के लिए उपयोग किया जाने वाला स्क्रॉल पंप 2000 से 4000 RPM की कम दर पर घूमता है। यह 7 टोर (Torr) दबाव और 20 °C तापमान वाली मंगल की गैस को 83 ग्राम प्रति घंटे की दर से अंदर खींचकर 120 वाट बिजली की खपत के साथ कंप्रेस करता है। इलेक्ट्रोलेसिस विभाग में 5-5 सेल के दो स्टैक, यानी कुल 10 सेल व्यवस्थित हैं। इन सेल्स के बीच के इंटरकनेक्ट पाउडर मेटलर्जी (CFY Plansee) से बने हैं। सिरेमिक और मेटल के बीच उचित सीलिंग के लिए ग्लास सील का उपयोग किया गया है। इलेक्ट्रोड्स के रूप में एनोड में पेरोव्स्काइट (Perovskite) और कैथोड में मॉडिफाइड सिरमेट (Cermet) का उपयोग हुआ है।

नासा के मूल उद्देश्य के अनुसार MOXIE उपकरण को 6 से 10 ग्राम प्रति घंटे ऑक्सीजन कम से कम 98% शुद्धता के साथ उत्पन्न करने के लिए बनाया गया था। लेकिन प्रयोगों के दौरान MOXIE ने अपेक्षा से दोगुना, यानी 12 ग्राम प्रति घंटे तक ऑक्सीजन 99.6% शुद्धता के साथ उत्पन्न करने का रिकॉर्ड बनाया था। 4 एम्पीयर की रोवर पावर सप्लाई क्षमता के कारण इसकी सैद्धांतिक उत्पादन दर 12 ग्राम तक ही सीमित थी।

नासा और MIT की भविष्य की योजना मंगल पर मानव मिशन भेजने के लिए इस तकनीक का व्यापक उपयोग करने की है। यदि 2030 के दशक में मंगल पर 4 अंतरिक्ष यात्रियों को एक वर्ष के लिए भेजा जाए, तो उन्हें सांस लेने और जीवन बनाए रखने (life support) के लिए पूरे वर्ष में केवल 1 मीट्रिक टन ऑक्सीजन की आवश्यकता होती है। लेकिन मंगल से पृथ्वी की ओर वापसी की उड़ान भरने के लिए मार्स एसेन्ट व्हीकल (Mars Ascent Vehicle) के रॉकेट ईंधन और ऑक्सीडाइज़र के रूप में लगभग 25 मीट्रिक टन ऑक्सीजन की आवश्यकता होती है।

पृथ्वी से 25 टन ऑक्सीजन मंगल तक ले जाना बेहद खर्चीला और मुश्किल है। इसलिए पृथ्वी से ऑक्सीजन ले जाने के बजाय मंगल पर ही MOXIE आधारित 200 गुना बड़ा प्लांट स्थापित करने का प्रस्ताव है। इस आकार का प्लांट 25 से 30 किलोवाट ऊर्जा का उपयोग करके प्रति घंटे 2 किलोग्राम से अधिक ऑक्सीजन का उत्पादन कर सकेगा। 1 पृथ्वी वर्ष में यह प्लांट मंगल पर ही रॉकेट के लिए आवश्यक 25 टन ऑक्सीजन तैयार कर देगा। इसके अलावा बायप्रोडक्ट के रूप में मिलने वाले कार्बन मोनोऑक्साइड का उपयोग मीथेन बनाने के लिए भी किया जा सकता है।