Toastergroßes Instrument auf dem Perseverance-Rover der NASA stellt “zuverlässig” SAUERSTOFF auf dem Mars her

Ein Toaster-großes Instrument an Bord des Perseverance-Rover der NASA wandelt auf dem Mars „zuverlässig“ Kohlendioxid in Sauerstoff um, und zwar mit etwa der gleichen Geschwindigkeit wie ein kleiner Baum auf der Erde, wie eine neue Studie ergeben hat.

Das Mars Oxygen In-Situ Resource Utilization Experiment oder „MOXIE“ erzeugt seit Februar 2021, als Perseverance zum ersten Mal auf der Marsoberfläche landete, erfolgreich Sauerstoff aus der CO2-reichen Atmosphäre des Roten Planeten.

Jetzt zeigt eine neue Studie, die in der Zeitschrift Science Advances veröffentlicht wurde, dass MOXIE in der Lage ist, Sauerstoff unter einer Vielzahl von atmosphärischen Bedingungen – einschließlich Tag und Nacht – und während verschiedener Jahreszeiten auf dem Mars zu produzieren.

Bei jedem der sieben Versuchsläufe erreichte das Instrument sein Ziel, sechs Gramm Sauerstoff pro Stunde zu produzieren – etwa so viel wie ein bescheidener Baum auf der Erde.

Die Forscher stellen sich vor, dass eine vergrößerte Version von MOXIE vor einer bemannten Mission zum Mars geschickt werden könnte, um kontinuierlich Sauerstoff in einer Menge von mehreren hundert Bäumen zu produzieren.

Bei dieser Kapazität sollte das System genug Sauerstoff erzeugen, um Menschen bei ihrer Ankunft zu versorgen und eine Rakete zu befeuern, um Astronauten zurück zur Erde zu bringen.

Die Ernte und Verwendung von Materialien eines Planeten, wie CO2, zur Herstellung von Sauerstoff oder anderen Ressourcen, die andernfalls transportiert werden müssten, wird als „Ressourcennutzung vor Ort“ bezeichnet.

“Dies ist die erste Demonstration der tatsächlichen Nutzung von Ressourcen auf der Oberfläche eines anderen Planetenkörpers und deren chemische Umwandlung in etwas, das für eine menschliche Mission nützlich wäre”, sagte Professor Jeffrey Hoffman, stellvertretender Hauptforscher von MOXIE vom Department of Aeronautics and Astronautics des MIT .

“In diesem Sinne ist es historisch.”

Die aktuelle Version von MOXIE ist klein konzipiert, um an Bord von Perseverance zu passen, und wird für kurze Zeiträume gebaut, wobei sie bei jedem Lauf gestartet und heruntergefahren wird, abhängig vom Erkundungszeitplan und den Aufgaben der Mission des Rovers.

Im Gegensatz dazu würde eine vollwertige Sauerstofffabrik größere Einheiten umfassen, die idealerweise kontinuierlich laufen würden.

Trotz der notwendigen Kompromisse beim aktuellen Design hat das Instrument gezeigt, dass es die Marsatmosphäre zuverlässig und effizient in reinen Sauerstoff umwandeln kann.

Dazu wird die Marsluft zunächst durch einen Filter angesaugt, der sie von Verunreinigungen reinigt.

Die Luft wird dann unter Druck gesetzt und durch den Solid Oxide Electrolyzer (SOXE) geleitet, ein von OxEon Energy entwickeltes und gebautes Instrument, das die kohlendioxidreiche Luft elektrochemisch in Sauerstoffionen und Kohlenmonoxid spaltet.

Die Sauerstoffionen werden dann isoliert und rekombiniert, um atembaren, molekularen Sauerstoff oder O2 zu bilden, den MOXIE dann auf Menge und Reinheit misst, bevor es ihn zusammen mit Kohlenmonoxid und anderen atmosphärischen Gasen harmlos wieder in die Luft abgibt.

Seit der Landung des Rovers haben die MOXIE-Ingenieure das Instrument während des gesamten Marsjahres sieben Mal gestartet, wobei jedes Mal ein paar Stunden zum Aufwärmen benötigt wurden, dann eine weitere Stunde, um Sauerstoff herzustellen, bevor es wieder heruntergefahren wurde.

Jeder Lauf war für eine andere Tages- oder Nachtzeit und in verschiedenen Jahreszeiten geplant, um zu sehen, ob MOXIE Änderungen der atmosphärischen Bedingungen des Planeten ausgleichen konnte.

“Die Atmosphäre des Mars ist viel variabler als die der Erde”, sagte Professor Hoffman.

„Die Dichte der Luft kann im Laufe des Jahres um den Faktor zwei schwanken, und die Temperatur kann um 100 Grad schwanken. Ein Ziel ist es zu zeigen, dass wir in allen Jahreszeiten laufen können.“

Bisher hat MOXIE gezeigt, dass es zu fast jeder Tages- und Jahreszeit auf dem Mars Sauerstoff produzieren kann.

“Das einzige, was wir nicht demonstriert haben, ist das Laufen in der Morgen- oder Abenddämmerung, wenn sich die Temperatur erheblich ändert”, sagte Michael Hecht, Hauptforscher der MOXIE-Mission am Haystack Observatory des MIT.

“Wir haben ein Ass im Ärmel, mit dem wir das tun können, und sobald wir das im Labor getestet haben, können wir diesen letzten Meilenstein erreichen, um zu zeigen, dass wir wirklich jederzeit laufen können.”

Da MOXIE weiterhin Sauerstoff ausstößt, planen die Ingenieure, seine Kapazität zu erhöhen und die Produktion zu erhöhen, insbesondere im Marsfrühling, wenn die atmosphärische Dichte und der Kohlendioxidgehalt hoch sind.

Dr. Hecht sagte: „Der nächste Lauf wird während der höchsten Dichte des Jahres stattfinden, und wir wollen einfach so viel Sauerstoff wie möglich produzieren. Also werden wir alles so hoch ansetzen, wie wir es wagen, und es so lange laufen lassen, wie wir können.’

Sie überwachen das System auch auf Verschleißerscheinungen. MOXIE ist nur ein Experiment unter mehreren an Bord der Perseverance. Es kann nicht kontinuierlich laufen, wie es ein vollwertiges System tun würde.

Stattdessen muss es bei jedem Lauf ein- und ausgeschaltet werden – eine thermische Belastung, die das Instrument mit der Zeit beeinträchtigen kann.

Wenn MOXIE trotz wiederholtem Ein- und Ausschalten erfolgreich betrieben werden kann, würde dies darauf hindeuten, dass ein vollständiges System, das für den Dauerbetrieb ausgelegt ist, dies Tausende von Stunden lang tun könnte.

Prof. Hoffman sagte: „Um eine bemannte Mission zum Mars zu unterstützen, müssen wir eine Menge Dinge von der Erde mitbringen, wie Computer, Raumanzüge und Lebensräume.

„Aber dummer alter Sauerstoff? Wenn du es dort schaffen kannst, tu es – du bist dem Spiel weit voraus.’

Die Forschung wurde teilweise von der NASA unterstützt.

Letzte Woche entwickelten portugiesische Wissenschaftler eine neue plasmabasierte Technik zur Erzeugung und Trennung von Sauerstoff in der Marsumgebung.

Plasma ist neben Feststoffen, Flüssigkeiten und Gasen der vierte natürliche Aggregatzustand.

Es enthält freie Ladungsteilchen wie Elektronen, die leicht sind und mit elektrischen Feldern leicht auf sehr hohe Energien beschleunigt werden können.

“Wenn kugelförmige Elektronen mit einem Kohlendioxidmolekül kollidieren, können sie es direkt zersetzen oder Energie übertragen, um es zum Schwingen zu bringen”, sagte Dr. Guerra.

„Diese Energie kann zu einem großen Teil in die Kohlendioxidzersetzung geleitet werden.

Der durch diese plasmabasierte Technik erzeugte Sauerstoff könnte der Schlüssel zur Schaffung einer atmungsaktiven Umgebung für Siedler sein.

Es könnte auch als Ausgangspunkt für die Produktion von Kraftstoffen und Düngemitteln dienen, sodass Siedler auf der Marsoberfläche Feldfrüchte anbauen können.