Foto eines Sonnenuntergangs auf dem Mars, aufgenommen vom NASA-Rover Spirit im Jahr 2005. (NASA/JPL/Texas A&M/Cornell) Die Marsatmosphäre ist in ihrem gegenwärtigen Zustand überhaupt nicht erdenfreundlich. Es ist extrem dünn, über 100-mal weniger dicht als das der Erde und besteht hauptsächlich aus Kohlendioxid. Jeder Mensch, der versucht, es zu atmen, würde bald feststellen, dass er überhaupt nicht mehr atmet.
Aber auf dieser staubigen, trockenen, fremden Welt pumpt ein kleines Instrument, etwas größer als eine Aktentasche, zuverlässig atembaren Sauerstoff aus der Marsatmosphäre.
Es ist die erste Demonstration der Verarbeitung von In-situ-Ressourcen für den menschlichen Gebrauch auf einem anderen Planeten – und stellt eine Möglichkeit dar, atembare Luft für eine bemannte Mission zum Roten Planeten zu erzeugen.
Es heißt MOXIE ( Mars Es ist ein Experiment zur Sauerstoff-In-Situ-Ressourcennutzung (ISRU) und wurde im Bauch des NASA-Rover Perseverance installiert. Es nutzt einen Prozess namens Elektrolyse, um das Mars-Kohlendioxid in Kohlenmonoxid und Sauerstoff aufzuspalten.
Zwischen Februar 2021, als Perseverance landete, und Ende 2021 produzierte MOXIE sieben Mal Sauerstoff – und wird dies auch weiterhin tun, sagten die Forscher.
„Dies ist der erste Beweis dafür, dass Ressourcen auf der Oberfläche eines anderen Planetenkörpers tatsächlich genutzt und chemisch in etwas umgewandelt werden, das für eine menschliche Mission nützlich wäre.“ sagt der ehemalige NASA-Astronaut und stellvertretende MOXIE-Ermittler Jeffrey Hoffman des MIT.
„In diesem Sinne ist es historisch.“
Die Herstellung von Sauerstoff mittels Elektrolyse ist nichts Neues. Die Internationale Raumstation beispielsweise nutzt die Elektrolyse dazu spaltet Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff und ergänzen so die Versorgung mit Atemluft.
Auf dem Mars könnte Wasser jedoch zu kostbar sein, um es auf diese Weise zu nutzen, sofern es eine andere Methode gibt.
Glücklicherweise ist Sauerstoff Bestandteil vieler Verbindungen, darunter auch des Kohlendioxids, das etwa 96 Prozent der Atmosphäre auf dem Mars ausmacht: ein Molekül, das aus einem Kohlenstoff- und zwei Sauerstoffatomen besteht.
Die elektrochemische Reduktion von Kohlendioxid in seine Bestandteile ist gut untersucht, bekannt und verstanden; Die Herausforderung bestand darin, hier auf der Erde ein Instrument zu entwickeln, das dies mit den verfügbaren Zutaten auf dem Mars tun könnte.
Die Produktion von Sauerstoff durch MOXIE ist ein mehrstufiger Prozess.
Zunächst saugt es Marsluft durch einen Filter an, der sie sauber reinigt. Diese gereinigte Marsluft wird dann komprimiert, erhitzt und durch den Solid OXide Electrolyzer (SOXE) geschickt. Der Elektrolyseur spaltet das Kohlendioxid in Kohlenmonoxid, das zurück in die Marsatmosphäre abgegeben wird, und Sauerstoffionen.
Die Sauerstoffionen werden dann wieder zu O kombiniert 2 oder molekularer Sauerstoff, dessen Menge und Reinheit dann gemessen wird, bevor er wieder abgelassen wird.
Wissenschaftler haben festgestellt, dass dieser Prozess zuverlässig zur Produktion von atembarem Sauerstoff geführt hat. Nach mehrstündigem Aufwärmen läuft es pro Experiment eine Stunde lang, gefolgt von einer Abschaltphase. In dieser 1 Betriebsstunde ist MOXIE entworfen um bis zu 10 Gramm zu produzieren – etwa 20 Minuten atembaren Sauerstoffs für einen Astronauten.
In jedem seiner sieben Durchgänge produzierte MOXIE zwischen 5,4 und 8,9 Gramm molekularen Sauerstoff, also insgesamt 49,9 Gramm.
Da der Mars sowohl in der Temperatur als auch in der Luftdichte stark schwankt, und zwar nicht nur von Tag zu Nacht, sondern im Laufe der wechselnden Jahreszeiten, muss MOXIE in der Lage sein, in einem weiten Temperatur- und Luftdichtenbereich zu funktionieren.
In seinen sieben Läufen konnte MOXIE unter verschiedenen Bedingungen Sauerstoff produzieren: tagsüber, nachts und das ganze Jahr über.
„Das Einzige, was wir nicht nachgewiesen haben, ist das Laufen im Morgen- oder Abendlicht, wenn sich die Temperatur erheblich ändert.“ sagt MOXIE-Hauptermittler Michael Hecht des Haystack Observatory des MIT.
„Wir haben ein Ass im Ärmel, das uns das ermöglicht, und sobald wir es im Labor testen, können wir den letzten Meilenstein erreichen und zeigen, dass wir wirklich jederzeit laufen können.“
Im Idealfall ist das Ziel natürlich ein lebenserhaltendes System, das kontinuierlich laufen kann, denn so muss der Mensch atmen. Und es muss viel größer sein als MOXIE: Ein kleines Team von Astronauten, Hecht sagte Letztes Jahr wird für ein Jahr auf dem Mars etwa eine Tonne atembarer Sauerstoff benötigt.
Und darin ist noch nicht der Sauerstoff enthalten, der als Treibstoff für die Heimreise benötigt wird – insgesamt würde die Mission schätzungsweise 500 Tonnen Sauerstoff benötigen, errechnete das Team.
Was das Team im ersten Betriebsjahr von MOXIE gelernt hat, wird in die Entwicklung dieses größeren Systems einfließen … aber es liegt noch ein langer Weg vor uns.
Der nächste Versuchsdurchlauf wird in der Jahreszeit stattfinden, in der die Atmosphäre am dichtesten ist. Dann, so sagte das Team, werden sie das Instrument so stark wie möglich auslasten, um zu versuchen, so viel Sauerstoff wie möglich zu produzieren.
Dies wird nicht nur zeigen, wozu MOXIE fähig ist, sondern auch seine Grenzen aufzeigen, was wiederum dazu beitragen wird, eine robustere Maschine für die eventuelle bemannte Mission zum Mars zu bauen.
Und das wird einen wesentlichen Teil des Rätsels lösen, das nicht nur darin besteht, einen bewohnbaren Ort für Menschen einladender zu gestalten, sondern auch ihre sichere Rückkehr nach Hause zu gewährleisten.
„Um eine bemannte Mission zum Mars zu unterstützen, müssen wir viele Dinge von der Erde mitbringen, wie Computer, Raumanzüge und Lebensräume.“ Hoffman sagt .
„Aber der blöde alte Sauerstoff? „Wenn du es dort schaffst, dann tu es – du bist dem Spiel weit voraus.“
Die Forschung wurde veröffentlicht in Wissenschaftliche Fortschritte .