Es ist nicht einfach, Stiefel auf den Mars zu bringen, aber es ist viel einfacher, als sie zurückzubringen.

Diese Woche startet die NASA ihren Perseverance-Rover auf eine einfache Reise zur Marsoberfläche. Neben vielen anderen Werkzeugen trägt das Schiff ein experimentelles Instrument, das Astronauten in Zukunft helfen könnte, Rundreisen zum Planeten zu unternehmen. Das Mars-Sauerstoff-In-Situ-Ressourcennutzungsexperiment, oder MOXIE , ist klein, etwa so groß wie eine Autobatterie. Es soll eine Technologie demonstrieren, die Kohlendioxid mit einem Prozess namens Elektrolyse in Sauerstoff umwandelt. Die dünne Atmosphäre des Mars besteht zu 95 Prozent aus Kohlendioxid, aber um alles zurück in den Weltraum zu schicken, wird Brennstoff benötigt, und das Verbrennen dieses Brennstoffs erfordert Sauerstoff. Die NASA könnte flüssigen Sauerstoff zum Planeten transportieren, aber das benötigte Volumen nimmt viel Platz ein.

MOXIE könnte den Weg zu einer Lösung zeigen. Im Erfolgsfall könnte dann eine größere Version der Sauerstoffproduktionstechnologie von MOXIE verwendet werden, um eine Rakete nach Hause zu starten. Die NASA will die Menschen definitiv nicht einfach auf dem Mars zurücklassen, sagt Asad Aboobaker, Ingenieur am Jet Propulsion Laboratory der NASA.

Michael Hecht, stellvertretender Direktor am MIT und verantwortlich für MOXIE, sagt, dass die Diskussionen über die Erforschung des Mars seit den 1990er Jahren immer wieder auf eine Liste von vier offenen Fragen zurückgingen. Zwei drehten sich darum, zu beweisen, dass der Mars sicher genug für menschliche Missionen ist, da die nackte Atmosphäre des Planeten alles auf seiner Oberfläche mit Staubstürmen und Strahlung bedroht. Diese Fragen sind geklärt. Das 2001 Mars-Odyssee gemessene Strahlung auf und um den Planeten, informieren, wie Abschirmung für Astronauten müsste gebaut werden. Nach 2007 wurde die Phönix Lander profilierte die Staub- und Bodenchemie des Mars und fand Nährstoffe, die könnte die Pflanzen der Erde unterstützen . Eine andere Frage war, wie große Fahrzeuge auf dem Planeten landen könnten. Diese Sorge wurde ausgeräumt, als zwischen 1996 und 2011 vier NASA-Rover sicher auf dem Planeten landeten. Die vierte Frage, die noch immer unbeantwortet war, fragte sich, wie wir alle notwendigen Ressourcen auf den Mars bringen könnten.

Die größte noch ausstehende Ressource ist laut Hecht ein Treibstoff, der für den Heimflug benötigt wird. Um sich davon zu überzeugen, müsse man sich nur eine Rakete beim Start von der Erde anschauen, sagt Hecht. Es gibt einen riesigen Sauerstofftank, um eine kleine winzige Kapsel darüber zu heben.





MOXIE ist nur ein Tool auf dem 2 Milliarden Dollar teuren Perseverance-Rover; das Raumschiff enthält auch einen Mars-Hubschrauber und SHERLOC, einen Ultraviolett-Laser, der nach Spuren des antiken Lebens sucht. Trotz der Vergoldung von MOXIE sieht es für seine ehrgeizige Mission bescheiden aus. Das Gehäuse des Experiments ist eine ungefähr kubische Kiste, die in jeder Dimension etwa einen Fuß misst.

Mitglieder des Mars-2020-Projekts der NASA installieren MOXIE im Perseverance-Rover.

Mitglieder des Mars-2020-Projekts der NASA installieren MOXIE im Perseverance-Rover.(NASA/JPL-Caltech)



In diesem aufgeräumten Gehäuse befinden sich ein Kompressor, ein Filter und ein streng getesteter Keramikstapel, der die Elektrolysereaktion durchführt. Jedes Element muss aus der Ferne, präzise und unter Bedingungen funktionieren, die bewegliche Teile ersticken und wertvolle Hardware verschleißen.

Die Atmosphäre auf dem Mars ist 170-mal dünner als auf der Erde. Obwohl diese Luft so reich an Kohlendioxid ist, bedeutet der niedrige Druck, dass die Umgebungsluft, die in den reaktiven Kern von MOXIE strömt, nicht viel Sauerstoff produziert. Der Kompressor von MOXIE saugt jedoch nahegelegenes Kohlendioxid an und führt es mit erdähnlichem Druck der Elektrolyseeinheit zu. Dort entreißt ein bei 800 Grad Celsius arbeitender chemischer Katalysator jedem einströmenden CO ein Sauerstoffatomzwei. Paare von Sauerstoffatomen verbinden sich schnell, um den stabilen zweiatomigen Sauerstoff zu bilden, der mit Kohlenmonoxid austritt.

Da MOXIE so heiß läuft, ist eine High-Tech-Isolierung erforderlich, um die Ausrüstung vor sich selbst und den restlichen Perservance-Werkzeugen zu schützen. Erschwerend kommt hinzu, dass der Mars selbst ein kalter Planet ist. Seine karge Atmosphäre hat Mühe, die Hitze des Tages zu halten, also kann Perseverance enorm rechnen Temperaturschwankungen , von möglichen Höchstständen bei 60 Grad Fahrenheit bis zu Tiefstwerten von bis zu 130 unter Null. Wir wollen zeigen, dass wir [MOXIE] tagsüber und nachts, im Winter und im Sommer und wenn es staubig ist, in all den verschiedenen Umgebungen laufen lassen können, sagt Hecht.



Wie nah bin ich an einem Atomkraftwerk?

Ein Hochtemperatur-Experiment zu isolieren, um an einem solchen zu arbeiten, war laut Aboobaker, der seit 2014 am Test von MOXIE am NASA Jet Propulsion Laboratory beteiligt ist, schwierig. Wie baut man es? Und wie verpackt man es so, dass es den Start überlebt?, sagt er. Es gab viele Iterationen.

NASA-Ingenieure verwendeten Aerogele für ein ganz anderes Projekt entwickelt als leichter und langlebiger Isolator. Jede Lösung wie diese erhöhte die Erfolgswahrscheinlichkeit und deckte sogar neue wissenschaftliche Erkenntnisse auf – das Team kürzlich eine Studie veröffentlicht über die Leistung von Filtern in einer simulierten Marsatmosphäre. Wir haben schon so viel gelernt, ohne zum Mars zu fliegen, sagt Hecht.

Laut Hecht stellt der volle Terminkalender von Perseverance auch eine große technische Herausforderung für den Betrieb von MOXIE dar. Das Instrument muss ein- und ausgeschaltet werden, um wertvolle Batterieleistung mit anderen Instrumenten an Bord zu teilen. All dieses Anhalten und Starten – das Einfrieren und die Hitze – ist hart für das System. Die Tests von MOXIE haben gezeigt, dass diese Zyklen das Experiment in vielerlei Hinsicht beeinträchtigen. Das Team verwendete Lösungen, um das Problem des Kreislaufs zu lösen, das laut Hecht das schwierigste Einzelproblem war, wie z. B. die Rezirkulation von Kohlenmonoxid, um zu verhindern, dass Kohlendioxid die Reaktionsstelle abbaut.

Die NASA hat ihre Hardwarearbeiten im März 2019 abgeschlossen. Da Perseverance erst im nächsten Februar landen wird, wird die Hardware von MOXIE fast zwei Jahre lang ungenutzt geblieben sein. Zwei Jahre allein im Regal zu sitzen, sei zunächst eine Herausforderung, sagt Hecht. Ganz zu schweigen von dem extremen Missbrauch, den es zwischen dem Verlassen dieses Regals und dem Einschalten auf dem Mars durchmacht.

Auf die Frage, ob dies zu diesem Zeitpunkt ein wichtiges Anliegen ist, antwortet Aboobaker mit Nein – weil wir dafür entwickelt haben.

Eine bleibende Unsicherheit besteht laut Hecht darin, MOXIE alleine laufen zu lassen, ohne dass jemand in der Nähe auf einen Aus-Knopf drückt. Wenn ein fehlerhafter Sensor die Spannung des Instruments zu hoch treibt, könnte sich elementarer Kohlenstoff bilden und das Experiment ruinieren.

Ich erwarte voll und ganz, dass MOXIE das tut, was es verspricht, sagt Julie Kleinhenz, eine NASA-Ressourcenexpertin, die nicht an der Entwicklung von MOXIE beteiligt ist. Aber Kleinhenz sagt, MOXIE steht vor dem, was sie als unbekannte Unbekannte bezeichnet. Die einzigartige Umgebung des Mars könnte Überraschungen bereithalten, wie zum Beispiel ungewohnte Auswirkungen von Staub. Die ganze Idee hier ist, etwas Gutes auszuprobieren, zu sehen, was es tut, und die Daten zurückzubekommen.

Auf dem Mars wird der Erfolg etwas unspektakulär sein. Wenn Sie neben dem Rover stünden – natürlich in einem Raumanzug –, könnten Sie wahrscheinlich nicht genau sagen, was wirklich vor sich ging, sagt Aboobaker.

MOXIE wird keine Tanks mit seinem Sauerstoff füllen. Stattdessen verfolgen Wissenschaftler den Erfolg mit drei unabhängigen Maßnahmen: einem Drucksensor im Gasweg; ein fluoreszierendes Molekül, das nach dem Auftreffen auf Sauerstoff verdunkelt; und einen elektrischen Strom aus der Reaktion. Beharrlichkeit bringt auch Mikrofone mit – die ersten bei jeder Mars-Mission. Wissenschaftler, die sich den Audio-Feed anhören, werden auf das Summen eines gesunden Kompressors achten.

MOXIE wird lange erwartet, produziert aber nur etwa sechs Gramm Sauerstoff pro Stunde, ungefähr die Atemfrequenz eines Corgis. Der Mensch braucht zum Atmen ein Vielfaches dieser Menge, und eine Rakete braucht etwa das 200-fache an Sauerstoff, um nach Hause zurückzukehren. Für Wissenschaftler wäre der Erfolg eines Marsjahres – 687 Erdentage – ein grünes Licht, um MOXIE über Corgi-ähnliche Skalen hinaus zu steigern. Da eine voll funktionsfähige Einheit auch 1000-mal länger laufen müsste als MOXIE, können Ingenieure die Ergebnisse von MOXIE nutzen, um die Designs so zuverlässig – und kompakt – wie möglich zu halten. Und die NASA kann andere Ressourcenexperimente in Auftrag geben, wie z Methan Produktion, um Raketentreibstoff herzustellen. Aber da die Herstellung von Methan das Auffinden, Ausgraben und Schmelzen von Eis auf dem Mars erfordert, ist dies wahrscheinlicher, wenn wir Stiefel auf dem Boden haben, sagt Hecht. Was auch immer die zukünftigen Ziele sind, der Zeitpunkt der Mars-Umlaufbahn bedeutet, dass die nächste Mission zumindest in 26 oder 52 Monaten nicht stattfinden wird.

Auf die Frage, ob er jemals eine Gelegenheit wahrnehmen würde, den Mars selbst zu besuchen, lacht Hecht und sagt: 'Hey, ich fühle mich auf einer Leiter nicht wohl.' Nach längerem Nachdenken räumt er ein, dass er die Gelegenheit nicht verpassen konnte. NASA-Ingenieur Aboobaker hat einen Vorbehalt. „Der Mars scheint ein schöner Ort für einen Besuch zu sein“, sagt er. 'Es wäre großartig... wenn ich sicherstellen könnte, dass ich zurückkommen könnte.'





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