รู้จัก "MOXIE" อุปกรณ์สำคัญจากนาซา ที่อาจช่วยให้มนุษย์อาศัยอยู่บนดาวอังคารได้
เราสามารถหายใจในบรรยากาศของดาวอังคารได้หรือไม่? เชื่อว่าผู้อ่านบางท่านอาจตั้งข้อสงสัยด้วยเช่นกัน หากตัดประเด็นเรื่องกัมมันตรังสีและความหนาวเย็นของสิ่งแวดล้อมบนดาวอังคารออกไป มนุษย์สามารถหายใจได้โดยไม่จำเป็นต้องสวมชุดอวกาศที่มีท่อจ่ายแก๊สภายในได้หรือไม่ ในบทความนี้จะพาคุณไปหาคำตอบ และการคิดค้นสิ่งประดิษฐ์ที่อาจช่วยให้มนุษย์สามารถอาศัยอยู่บนดาวอังคารได้เป็นเวลานาน
อากาศบนดาวอังคาร
อากาศบนโลกของเรามีส่วนประกอบของไนโตรเจนมากถึง 78% ในขณะที่มีแก๊สออกซิเจนอยู่เพียง 21% หากพิจารณาสัดส่วนของอากาศแล้วนั่นหมายความว่า เราไม่จำเป็นต้องใช้ออกซิเจน 100% ในการหายใจ ในทางทฤษฎีเราก็อาจจะสามารถหายใจบนดาวอังคารได้ ถึงแม้มันจะประกอบด้วยออกซิเจนไม่มากก็ตาม
เนื่องจากดาวอังคารมีขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางราว 6,700 กิโลเมตร คิดเป็นครึ่งหนึ่งของเส้นผ่านศูนย์กลางโลก ดาวอังคารจึงมีมวลและแรงดึงดูดน้อยกว่าโลกมาก เมื่อมีแรงดึงดูดไม่มากพออากาศบนดาวจึงระเหยขึ้นสู่อวกาศ ส่งผลให้ดาวมีความหนาแน่นของบรรยากาศเพียง 1% เมื่อเทียบกับโลก !!
นอกจากนี้ แก๊สในชั้นบรรยากาศของดาวอังคารส่วนใหญ่จะประกอบด้วยคาร์บอนไดออกไซด์ คิดเป็นสัดส่วนมากถึง 96% ในขณะที่แก๊สออกซิเจนมีอยู่เพียง 0.1% เท่านั้น ด้วยปริมาณที่น้อยขนาดนี้ทำให้มนุษย์ไม่สามารถหายใจบนดาวอังคารได้ ทันทีที่คุณถอดชุดนักบินอวกาศออกเพื่อชมบรรยากาศของดาวอังคาร คุณจะประสบกับภาวะขาดอากาศหายใจอย่างรวดเร็ว
ทว่า หากองค์การนาซาต้องการส่งมนุษย์ไปสำรวจบนดาวอังคาร พวกเขาจะใช้ชีวิตอย่างไรเพื่อให้อยู่บนดาวได้นานที่สุดเท่าที่เป็นไปได้ เพราะการเดินทางมาเยือนครั้งแรกในประวัติศาสตร์ของมนุษยชาติจะต้องสำรวจให้คุ้มค่าที่สุด นักบินอวกาศคงไม่สามารถเดินทางไปแล้วกลับภายในวันเดียว พวกเขาอาจจะต้องใช้ชีวิตอยู่บนดาวนานพอสมควร (อาจเป็นเดือน หรือเป็นปีเลยก็ได้)
เพื่อให้ภารกิจสำรวจดาวอังคารดำเนินได้อย่างราบรื่น นาซาจำเป็นต้องประดิษฐ์อุปกรณ์ที่สามารถผลิตแก๊สออกซิเจนได้อย่างต่อเนื่อง และเพียงพอสำหรับการดำรงชีวิตของนักบินอวกาศทุกคนที่เดินทางไปยังดาวอังคาร นี่จึงกลายเป็นที่มาของการประดิษฐ์เครื่องผลิตแก๊สออกซิเจนจากแก๊สคาร์บอนไดออกไซด์ มีชื่อว่า “ม็อกซี” (MOXIE - Mars Oxygen In-Situ Resource Utilization Experiment)
ผลิตออกซิเจนใช้เองจากคาร์บอนไดออกไซด์
ก่อนการกำเนิดของม็อกซี เครื่องผลิตแก๊สออกซิเจนจากคาร์บอนไดออกไซด์ องค์นาซาเคยพัฒนาอุปกรณ์ลักษณะคล้ายกันในชื่อ มิป (MIP หรือ Mars In-situ propellant production Precursor) โดยหวังที่จะนำไปทดลองใช้ผลิตแก๊สออกซิเจนบนดาวอังคารในภารกิจมารส์ เซอร์เวเยอร์ 2001 ทว่า เกิดเหตุขัดข้องในระหว่างดำเนินภารกิจ ทางนาซาจึงได้ยกเลิกการทดลองนี้ไปในที่สุด
และล่าสุดในปี ค.ศ. 2020 ที่นาซาได้ส่งยานสำรวจเพอร์เซเวียแรนซ์ลงสู่พื้นผิวดาวอังคารได้สำเร็จ บัดนั้นหน้าที่ของม็อกซีจึงได้เริ่มต้นขึ้นด้วยเช่นกัน โดยมีเป้าหมายเพื่อพิสูจน์สมมุติฐานในการผลิตแก๊สออกซิเจนจากคาร์บอนไดออกไซด์ในบรรยากาศ นำไปสู่ความเป็นไปได้ในการส่งมนุษย์ไปสำรวจยังดาวอังคารในเวลาต่อไป
ม็อกซีถูกพัฒนาขึ้นจากความร่วมมือของสถาบันเทคโนโลยีหลายแห่งในสหรัฐอเมริกา รวมถึงองค์การนาซาเองก็เป็นผู้นำในการพัฒนาอุปกรณ์นี้ด้วย โดยพวกเขามีเป้าหมายให้เครื่องม็อกซีสามารถผลิตออกซิเจนที่มีความบริสุทธิ์สูงถึง 98% ในอัตรา 6-10 กรัมต่อชั่วโมงเป็นอย่างน้อย และจะต้องมีการทดสอบประสิทธิภาพของการผลิตแก๊สในสภาพแวดล้อมต่าง ๆ เนื่องจากสภาพอากาศของดาวอังคารมีความแปรปรวนได้ง่าย โดยเฉพาะการเกิดพายุทราย ดังนั้น ม็อกซีควรจะต้องทำงานได้ในทุกสภาวะแวดล้อม เพื่อการันตีว่ามันจะสามารถผลิตแก๊สออกซิเจนได้อย่างเพียงพอสำหรับนักบินอวกาศ
กลไกผลิตแก๊สออกซิเจนจากบรรยากาศที่เป็นพิษ
ภายในม็อกซีจะประกอบด้วยส่วนของชั้นกรอง HEPA, ชั้นให้ความร้อน และชั้นควบแน่น โดยหลังจากที่อากาศผ่านเข้ามาในชั้นกรองแล้ว จะผ่านชั้นที่มีความร้อนสูงกว่า 800 องศาเซลเซียส ซึ่งจะต้องใช้เซลล์ออกไซด์แบบแข็ง (Solid oxide electrolysis) เพื่อเร่งให้อะตอมของออกซิเจน แตกตัวออกจากโมเลกุลคาร์บอนไดออกไซด์ จากนั้นจึงผ่านเข้ามาควบแน่นรวมเป็นแก๊สออกซิเจนในที่สุด
สำหรับสมการในการผลิตแก๊สออกซิเจนจากคาร์บอนไดออกไซด์ คือ
CO2 (คาร์บอนไดออกไซด์) = 2 CO (คาร์บอนมอนอกไซด์) + O2 (แก๊สออกซิเจน)
ส่วนแก๊สอื่น ๆ เช่น ไนโตรเจนและอาร์กอนจะถูกปล่อยคืนสู่ชั้นบรรยากาศ ไม่มีผลต่อปฏิกิริยาโดยรวมภายในเครื่องม็อกซี
เมื่อไปถึงยังดาวอังคาร ณ หลุมอุกกาบาตเจซีโร ซึ่งเป็นจุดลงจอดของยานเพอร์เซเวียแรนซ์ ม็อกซีจึงเริมผลิตแก๊สออกซิเจนชุดแรกออกมา โดยสามารถผลิตได้ในปริมาณ 5.37 กรัม นับเป็นปริมาณที่นักบินอวกาศสามารถใช้หายใจได้นาน 10 นาที และเมื่อประเมินแล้วม็อกซีจะสามารถผลิตแก๊สออกซิเจนได้ในอัตรา 10 กรัมต่อชั่วโมง
องค์การนาซาวางแผนว่าภายในเวลา 2 ปีของการสำรวจบนดาวอังคาร (2 ปีของโลก นับเป็น 1 ปีของดาวอังคาร) ม็อกซีจะต้องดำเนินกระบวนการทั้งสิ้น 3 อย่าง ได้แก่ การประเมินคุณภาพของการผลิตแก๊สออกซิเจน, การผลิตออกซิเจนในช่วงเวลา/ฤดูกาล/สภาพอากาศที่แตกต่างกัน และสุดท้ายคือการผลิตแก๊สออกซิเจนในอุณหภูมิที่แตกต่างกันออกไป ซึ่งข้อมูลทั้งหมดที่ได้จะเป็นประโยชน์อย่างมากสำหรับการส่งมนุษย์มาสำรวจดาวอังคารในอนาคต
การนำไปประยุกต์ใช้
นอกเหนือจากเป็นแหล่งผลิตแก๊สออกซิเจนสำหรับการหายใจแล้ว นาซาคาดหวังที่จะพัฒนาเครื่องม็อกซีขนาดใหญ่มากกว่าเดิมถึง 200 เท่า สำหรับนำไปใช้ในโครงการส่งมนุษย์มาสำรวจยังดาวอังคารในปี 2023 โดยคาดว่าเครื่องม็อกซีขนาดใหญ่จะสามารถผลิตแก๊สออกซิเจนออกมาได้ราว 2 กิโลกรัมต่อชั่วโมง หากคำนวณแล้วภายในเวลา 1 ปีของโลก เครื่องม็อกซีจะสามารถผลิตแก๊สออกซิเจนออกมาได้ราว 17,500 กิโลกรัมเลยทีเดียว
แม้ปริมาณนี้จะเพียงพอต่อการดำรงชีวิตของนักบินอวกาศทั้ง 4 ราย (โดยคาดว่า 1 ปีของโลก นักบินอวกาศจะใช้แก๊สออกซิเจนไปทั้งสิ้น 1,000 กิโลกรัม) แต่แก๊สออกซิเจนที่ผลิตได้นี้ยังไม่เพียงพอต่อการใช้เป็นพลังงานเพื่อเดินทางจากดาวอังคารกลับมายังโลก ซึ่งประมาณไว้ว่าจะต้องใช้แก๊สออกซิเจนถึง 25,000 กิโลกรัม จึงจะสามารถจุดระเบิดที่มีความแรงมากพอที่ยานจะพุ่งทะยานขึ้นสู่อวกาศได้
นักวิทยาศาสตร์เชื่อว่านอกจากแก๊สออกซิเจนแล้ว ผลพลอยได้จากกระบวนการผลิตอย่างแก๊สคาร์บอนมอนอกไซด์ สามารถนำมาประยุกต์ใช้เป็นเชื้อเพลิงคุณภาพต่ำ (Low-grade fuel) เพื่อใช้เป็นเชื้อเพลิงส่งเสริมในการขับเคลื่อนยาน หรืออาจจะนำไปทำปฏิกิริยากับน้ำเพื่อก่อกำเนิดเป็นแก๊สมีเทนที่เป็นเชื้อเพลิงคุณภาพดีกว่าได้อีกด้วย ด้วยกระบวนการเหล่านี้นักบินอวกาศจะมีเชื้อเพลิงเพียงพอในการจุดระเบิดขับเคลื่อนยาน อีกทั้งยังนำมาใช้ในการดำเนินชีวิตประจำวันได้อีกด้วย
อีกประเด็นหนึ่งของประโยชน์ในการพัฒนาม็อกซี คือ การนำมาประยุกต์ใช้ในโลกของเราเอง อย่างเช่นในปัจจุบันที่มีแก๊สคาร์บอนไดออกไซด์ในชั้นบรรยากาศมากขึ้นเรื่อย ๆ เครื่องม็อกซีขนาดใหญ่ที่สร้างขึ้นในโลกก็อาจมีส่วนช่วยในการเปลี่ยนคาร์บอนไดออกไซด์ให้กลายเป็นแก๊สออกซิเจนเพื่อนำไปใช้ประโยชน์ในด้านอื่น ๆ จึงเป็นการลดแก๊สพิษและเพิ่มแก๊สที่เป็นประโยชน์ต่อมนุษย์ไปในตัว
หากม็อกซีสามารถดำเนินภารกิจได้สำเร็จตามที่นาซาตั้งเป้าไว้ จะกลายเป็นประโยชน์ในการสำรวจดาวอังคารครั้งถัดไป โดยเฉพาะในปี 2030 ที่จะมีการส่งมนุษย์ไปสำรวจดาวอังคารพร้อมเครื่องม็อกซีขนาดใหญ่กว่าเดิม ไม่แน่ว่าในอนาคตหากนาซาตั้งใจทิ้งเครื่องม็อกซีไว้บนดาวอังคาร และปล่อยให้มีการผลิตแก๊สออกซิเจนออกมาเรื่อย ๆ อาจเป็นส่วนหนึ่งที่กระตุ้นให้สภาพแวดล้อมบนดาวอังคารเกิดการเปลี่ยนแปลงไปในทางที่เป็นมิตรต่อสิ่งมีชีวิตมากขึ้นก็เป็นได้