Wie wir auf dem Mars eine Basis mit atmungsaktiver Luft bauen werden

So einschüchternd es auch sein mag, Menschen zum ersten Mal auf einen anderen Planeten zu schicken, der Weg dorthin ist nur die halbe Herausforderung. Das große Problem besteht darin, wie Menschen auf der Oberfläche eines Planeten mit einer nicht atembaren Atmosphäre, kosmischer Strahlung und eisigen Oberflächentemperaturen Millionen Kilometer von zu Hause entfernt existieren können.

Wir wollten wissen, wie man einen fremden Planeten für die Besiedlung durch Menschen vorbereiten würde, also sprachen wir mit zwei Experten vom Massachusetts Institute of Technology Technologieprofessor Michael Hecht und NASA-Ingenieur Asad Aboobaker, um herauszufinden, wie man Astronauten auf einem Planeten, der töten will, am Leben hält ihnen.

Dieser Artikel ist Teil von Leben auf dem Mars – eine 10-teilige Serie, die sich mit der neuesten Wissenschaft und Technologie befasst, die es Menschen ermöglichen wird, den Mars zu besetzen

Ein Fenster voller Möglichkeiten

Es gibt eine wesentliche Zeitverzögerung bei der Entsendung von Menschen auf den Roten Planeten. Aufgrund der Umlaufbahnen von Erde und Mars ist die einfachste Möglichkeit, von einem Planeten zum anderen zu gelangen, die Verwendung einer Flugbahn namens a Hohmann-Transferbahn, bei dem sich ein Raumschiff auf einer Umlaufbahn bewegt, die sich allmählich spiralförmig nach außen dreht.

„Das liegt an der Art und Weise, wie sich die Planeten drehen“, erklärte Hecht. „Die Erde befindet sich in der Umlaufbahn des Mars und dreht sich schneller als der Mars, sodass sie ihn ein paar Mal umkreist. Ein Marsjahr ist fast zwei Erdenjahre.“

„Man muss den Start also zeitlich planen. Und jedes Marsjahr gibt es ein Fenster – alle 26 Monate, zu einem Zeitpunkt, der Marsopposition genannt wird, wenn der Mars der Erde nahe ist. Sie haben also alle 26 Monate die Möglichkeit, eine Raumsonde in dieser optimalen Umlaufbahn zum Mars zu starten. … Die Pläne für den Mars sehen also vor, zuerst die Infrastruktur zu schicken, und dann, 26 Monate später, werden wir die Besatzung schicken.“

Beim Entsenden von Infrastruktur geht es nicht nur darum, sicherzustellen, dass die Astronauten Luft zum Atmen und Nahrung zum Essen haben. Es bedeutet auch, ein Kraftwerk, einen Lebensraum, Rover und ein Aufstiegsfahrzeug zu entsenden und zu bauen, damit die Astronauten nach Beendigung ihrer Mission abreisen können.

Warum Sauerstoff so wichtig ist

Das erste große Problem, das beim Aufbau einer Marsbasis angegangen werden muss, ist die Produktion von Sauerstoff. Wenn Sie von der Sauerstoffproduktion auf dem Mars hören, denken Sie wahrscheinlich an das grundlegendste menschliche Bedürfnis: Luft zum Atmen zu haben. Und sicherlich müssen wir einen Weg finden, in einem geschlossenen Marslebensraum eine atmungsaktive Atmosphäre zu erzeugen. Im Vergleich zum großen Bedarf – dem Treibstoff für die Rakete, mit der Astronauten von der Oberfläche abgeschossen werden – ist hierfür jedoch nur eine relativ geringe Menge Sauerstoff erforderlich.

„Wir versuchen, Raketentreibstoff herzustellen“, sagte Hecht. „Wir versuchen nicht, Treibstoff herzustellen, sondern den Teil der chemischen Reaktion, an den wir auf der Erde nie denken.“ Hier weiter Erde, wenn Sie Benzin in Ihrem Automotor verbrennen, verbrauchen Sie zur Herstellung ein Vielfaches des Gewichts des Kraftstoffs an Sauerstoff Reaktion. Das Gleiche gilt für das Verbrennen eines Holzscheits im Kamin.

„Wenn Sie jedoch an einen Ort gehen, an dem es keinen freien Sauerstoff gibt, müssen Sie ihn mitnehmen“, fügte Hecht hinzu.

Moderne Raketen verfügen über Flüssigsauerstofftanks, die diesen Treibstoff liefern, und sie machen beim Start einen erheblichen Teil des Gewichts aus.

„Wir würden fast 30 Tonnen Sauerstoff benötigen, um diese Rakete anzutreiben und diese Astronauten vom Planeten in die Umlaufbahn zu bringen“, sagte Hecht. „Und wenn wir diese 30 Tonnen Sauerstoff zum Mars mitnehmen müssen, verschiebt sich die gesamte Mission um ein Jahrzehnt. Es ist viel einfacher, einen leeren Tank dorthin zu schicken und ihn mit Sauerstoff aufzufüllen.“

Das Vorhandene nutzen

Um Sauerstoff auf dem Mars zu erzeugen, arbeiten Hecht und seine Kollegen an einem Konzept namens In-situ Resource Utilization (ISRU). Im Wesentlichen bedeutet das, das zu nutzen, was bereits auf dem Mars vorhanden ist, um das zu schaffen, was wir brauchen.

Sie haben ein Experiment namens MOXIE (Mars Oxygen In-Situ Resource Utilization Experiment) gebaut, das problemlos zusammen mit dem Mars zum Mars transportiert wurde NASA Perseverance Rover das im Februar 2021 erfolgreich landete. MOXIE ist praktisch eine Miniaturversion eines möglicherweise viel größeren Geräts, das Kohlendioxid aufnimmt, das in der Marsatmosphäre reichlich vorhanden ist, und Sauerstoff produziert.

Das mag kompliziert klingen, aber tatsächlich ähnelt das Gerät etwas, das hier auf der Erde bekannt ist. „MOXIE ähnelt stark einer Brennstoffzelle“, sagte Hecht. „Es ist fast identisch. Wenn man eine Brennstoffzelle nehmen und die beiden eingehenden Drähte vertauschen würde, hätte man ein Elektrolysesystem. Das heißt, wenn es sich um eine Brennstoffzelle handeln würde, hätte man einen Brennstoff und ein Oxidationsmittel, die ein stabiles Molekül ergeben. Wenn es Kohlenmonoxid als Brennstoff und Sauerstoff gäbe, würde es Kohlendioxid erzeugen. Sie bekommen auch Strom.

„Wenn man es rückwärts laufen lässt, muss man Kohlendioxid und Strom einspeisen. Aber es entstehen Kohlenmonoxid und Sauerstoff. So wissen wir, wie das geht.“

Diese scheinbar einfache Idee ist radikal, weil sie ein Problem angeht, das kaum jemand außerhalb der Weltraumgemeinschaft für ein Problem hält: die Produktion von Sauerstoff. „Niemand will auf der Erde Sauerstoff erzeugen – wir haben keinen Grund dazu“, sagte Hecht. „Wir haben überall reichlich davon. Aber wir haben durch Brennstoffzellen viel Wissen.“

Wie baut man eine Sauerstoffmaschine?

Die chemischen Prinzipien der Herstellung einer Sauerstoffmaschine zu verstehen ist eine Sache, aber eine Version zu entwerfen und zu bauen, die in einen Rover passt, eine andere. Aboobaker, ein Thermoingenieur für MOXIE am Jet Propulsion Laboratory (JPL) der NASA, der am MOXIE beteiligt war Während der gesamten Entwicklung des Projekts erklärte er, wie das Experiment aufgebaut war und welche Herausforderungen das JPL-Team bewältigen musste angehen.

„Die größte Ressourcenbeschränkung, die wir hatten, war neben der Masse und dem kleinen Raum, mit dem wir arbeiten konnten, die Energie“, sagte er. „Der Rover verfügt über einen thermoelektrischen Radioisotop-Generator, der eine Kernenergiequelle darstellt. Die Leute denken also, dass der Rover nuklear angetrieben wird, aber das ist nicht der Fall. Es ist batteriebetrieben und verfügt über ein nukleares Erhaltungsladegerät.“

Das bedeutet, dass die Forscher äußerst vorsichtig sein müssen, wie viel Strom sie verbrauchen, um die Batterie nicht zu entladen. Der gesamte Perseverance-Rover benötigt nur 110 Watt, was nur etwas mehr ist als eine helle Glühbirne.

Ein Experiment wie MOXIE wiederum kann nur wenig Strom verbrauchen. „Dadurch wurde eine Grenze dafür festgelegt, wie viel Heizleistung wir zum Aufheizen verwenden könnten, wie viel Leistung der Kompressor – der das Gas in das System bläst – aufnehmen kann und wie lange wir laufen können“, sagte Aboobaker.

Deshalb ist die auf Perseverance reisende Version von MOXIE so klein, obwohl das System in einem größeren Maßstab genauso gut oder sogar besser funktionieren würde.

Wir wollen nur wissen, ob es funktioniert

Doch die Entwicklung der Ausrüstung ist nur die eine Seite des Experiments – die andere Seite besteht darin, zu prüfen, ob sie tatsächlich auf dem Mars funktioniert. Selbst mit einem Konzept, das hier auf der Erde solide funktioniert, kann es unerwartete Folgen fremder Umgebungen geben Eine dünne Atmosphäre beeinträchtigt die Wärmeübertragung, Lager verschleißen auf unerwartete Weise aufgrund der geringeren Schwerkraft und sind ungewohnt Staub. Aus diesem Grund werden die JPL-Ingenieure bald Daten von MOXIE sammeln, um zu sehen, wie es in einer echten Marsumgebung abschneidet.

„In vielerlei Hinsicht erfasst MOXIE nicht wirklich wissenschaftliche Daten“, sagte Aboobaker. Im Vergleich zu wissenschaftlichen Instrumenten wie Teleskopen oder Spektrometern, die zur Analyse von Gesteinsproben verwendet werden, sind die von MOXIE gesammelten Daten relativ einfach. „Was wir haben, ähnelt fast technischen Telemetriedaten. Wir messen Spannungen, Ströme, Temperaturen und dergleichen. Das sind unsere Daten, und die Datenmenge ist eigentlich recht gering. Man könnte es fast auf eine Diskette packen.“

Das bedeutet, dass das Team innerhalb weniger Tage sehr schnell eine Rückmeldung darüber erhalten kann, ob das System wie vorgesehen funktioniert. Im Gegensatz zu anderen Perseverance-Instrumenten, deren Datenanalyse Wochen, Monate oder sogar Jahre dauert, ist MOXIE sowohl eine praktische Demonstration als auch ein Experiment.

„In vielerlei Hinsicht ist das, was wir tun, keine Wissenschaft, sondern Technologie“, sagte Aboobaker. „Meistens wollen wir nur wissen, ob es funktioniert. Und was müssten wir dafür tun, wenn wir es in Zukunft vergrößern wollten?“

Eine McMurdo-Station für den Mars

Wenn MOXIE erfolgreich ist, kann es zeigen, wie das Prinzip von ISRU auf dem Mars funktionieren kann. Dann ist es relativ einfach, das Projekt zu vergrößern und eine Vollversion zu erstellen, die Sauerstoff mit einer viel höheren Geschwindigkeit produzieren könnte. Und die gute Nachricht ist, dass eine größere Version effizienter wäre und eine beträchtliche Menge Sauerstoff produzieren könnte, ohne zu viel Strom zu benötigen.

Wenn der Sauerstoff geklärt ist, könnten wir uns den anderen Arten von Ressourcen zuwenden, die wir für die auf dem Mars lebenden Menschen benötigen würden. Eine weitere der wichtigsten Ressourcen, die wir zum Aufbau einer Basis auf dem Planeten benötigen würden, ist Wasser. Nicht nur zum Trinken für den Menschen, sondern auch, weil Wasser (oder Wasserstoff) und Kohlendioxid zu einer Vielzahl nützlicher Chemikalien kombiniert werden können.

„Kurzfristig besteht die Idee darin, dass wir ein gewisses Maß an autonomer ISRU durchführen wollen, um unsere Missionen durchführbar zu machen“, sagte Hecht. „Sobald wir eine Basis auf dem Planeten haben, wie die McMurdo-Station in der Antarktis oder wie die Internationale Raumstation, dann kann man über viel aggressivere Arten von ISRU nachdenken, wie den Abbau von Eis.“

„Viele Leute sind der Meinung, dass wir autonom Eis abbauen sollten. Aber ich sage nein, es lohnt sich nicht. Eis ist ein Mineral, das heißt, man muss es schürfen, man muss es ausgraben, man muss es reinigen. Es wird einfacher sein, es einfach mitzubringen. So etwas wie MOXIE ist jedoch ein mechanischer Baum. Es atmet Kohlendioxid ein und Sauerstoff aus.“

Im Vergleich zur Ressourcensuche durch Bergbau sei MOXIE viel einfacher, argumentiert Hecht. „Es muss nirgendwo hingehen, es muss nichts suchen. Das sind IRSU-Methoden, die kurzfristig wirklich praktisch sind. Den Rest verschiebt man, bis man Leute an der Oberfläche hat, die kompliziertere Aufgaben erledigen können.“

Unerwartetes Mars-Kopfgeld

Der Mars verfügt zwar über reichlich Wassereis, liegt aber an den Polen, während sich die meisten Marsmissionen auf die Landung am Äquator konzentrieren wollen, der einer Wüste gleicht. Aktuelle Konzepte zur Lösung dieses Problems umfassen die Idee einer globalen Eiskartierung, bei der Standorte kleinerer Eismengen für die zukünftige Nutzung kartiert werden könnten.

Eine andere Möglichkeit besteht darin, den Mineralien im Marsboden Wasser zu entziehen. „Es gibt Mineralien wie Gips und Bittersalz, die Sulfate sind und viel Wasser anziehen“, erklärte Hecht. „Man könnte sie also ausgraben, backen und das Wasser herausholen. Man könnte den Boden nach Wasser durchsuchen, was ziemlich reichlich vorhanden ist.“

Aber nicht nur auf dem Mars gibt es ähnliche Materialien wie auf der Erde. Es enthält auch große Mengen einer Chemikalie namens Perchlorat (ClO4), die für die menschliche Gesundheit gefährlich ist und nur in geringen Mengen auf unserem Planeten vorkommt. Obwohl dieser Stoff giftig ist, könnte er aufgrund seiner chemischen Eigenschaften äußerst nützlich sein, da er beispielsweise in Feststoffraketen, Feuerwerkskörpern und Airbags verwendet wird.

„Auf dem Mars stellt sich heraus, dass der größte Teil des Chlors im Boden Perchlorat ist“, sagte Hecht. „Es macht fast 1 % des Bodens aus. Und es hat eine enorme Energiemenge. Wenn man Sauerstoffatome aus dem ClO4 freisetzt, um Cl herzustellen, wird eine enorme Menge an Energie freigesetzt. Ich habe immer gedacht, dass das eine großartige Ressource zum Ernten wäre.“

Das Problem dabei ist, dass diese Anwendungen alle explosiv sind und die Kontrolle der Reaktion von ClO4 eine Herausforderung darstellt. Es gibt jedoch ein System, das das Potenzial hat, die Energie sanft freizusetzen biologischer Reaktor.

„Mikroben können dieses Zeug fressen und Energie produzieren“, erklärte Hecht. „Und die Menschen haben tatsächlich diese Art von biologischen Reaktoren gebaut, das sind Tanks mit Bakterien, die eine Substanz verdauen und daraus Energie gewinnen.

„Ich habe also die Vision eines biologischen Reaktors auf der Rückseite eines Rovers, und der Astronaut steigt ein und fährt herum. Und wenn die Leistungsanzeige zur Neige geht, steigen sie aus und schaufeln Erde in einen Trichter hinten, und die Mikroben fressen die Erde und erzeugen Energie, und der Astronaut kann weiterfahren. Es ist eine verrückte Idee, aber das ist mein Konzept zur Ressourcennutzung für Haustiere.“

Dieser Artikel ist Teil von Leben auf dem Mars – eine 10-teilige Serie, die sich mit der neuesten Wissenschaft und Technologie befasst, die es Menschen ermöglichen wird, den Mars zu besetzen.

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