Leistung wie ein kleiner Baum: Das MOXIE-Instrument an Bord des Perseverance-Rover kann unter verschiedenen atmosphärischen Bedingungen zuverlässig Sauerstoff aus Kohlendioxid in der Marsluft extrahieren, zeigen die Ergebnisse von 2021. In sieben Tests erreichte das Instrument eine Rate von sechs. Gramm Sauerstoff pro Stunde. Bisher hat sich das Konzept bewährt. Größere Anlagen könnten das Gas für die Atemluft von Marsreisenden sowie für den Raketenantrieb auf dem Roten Planeten produzieren, so der Plan.
Nach dem Mond ist der Mars das Ziel der bemannten Raumfahrt: Eines Tages wird der erste Mensch seinen Fuß auf den roten Planeten setzen. Zu den vielen Herausforderungen gehören die Bereitstellung von Sauerstoff für die Atemluft und der Antrieb der Rakete auf dem Rückflug. Das Mitführen der erforderlichen Mengen wäre eine enorme Belastung. Wissenschaftler arbeiten daher an Konzepten, um das Gas vor Ort aus den Ressourcen des Planeten zu gewinnen. Diesem Ziel widmet sich das „Mars Oxygen In-Situ Resource Utilization Experiment“ (MOXIE): Im Rahmen der Rover-Mission Mars Perseverance untersucht es, inwieweit Sauerstoff aus Kohlendioxid der dünnen Marsatmosphäre gewonnen werden kann. Elektrolyse Medien.
Aus CO₂ wird O₂
Der Mars-Rover, der sich seit Februar 2021 auf der Planetenoberfläche befindet, war mit einem Instrument in der Größe einer Brotdose ausgestattet. Es saugt zunächst die Marsluft, die zu 96 Prozent aus Kohlendioxid besteht, durch einen Filter, um Staub zu entfernen. Anschließend wird es komprimiert und dann durch eine Vorrichtung geleitet, die die kohlendioxidreiche Luft elektrochemisch in Sauerstoff- und Kohlenmonoxid-Ionen spaltet. Die Sauerstoffionen verbinden sich dann zu O₂. Das MOXIE-Instrument erfasst die Menge und Reinheit des Gases. Es wird dann zusammen mit Kohlenmonoxid wieder in die Marsatmosphäre freigesetzt.
Wie die Entwickler berichten, musste das MOXIE-Instrument so klein wie möglich konstruiert werden, um in den Perseverance-Rover zu passen. Aus diesem Grund ist das Konzept bisher eine Testversion, die nicht im Dauerbetrieb arbeitet: Für temporäre Experimente wird das Gerät ein- und ausgeschaltet. Dies geschieht gezielt unter möglichst unterschiedlichen atmosphärischen Bedingungen, erklärt das Team. „Die Marsatmosphäre ist viel variabler als die der Erde“, sagt Hauptautor Jeffrey Hoffman vom Massachusetts Institute of Technology (MIT) in Cambridge. „Die Luftdichte kann im Laufe des Jahres um den Faktor zwei variieren, und die Temperatur kann um 100 Grad schwanken. Unser Ziel ist es also zu zeigen, dass das System jederzeit funktioniert“, sagt Hoffman.
Zuverlässig auch bei schwankenden Bedingungen
Seit der Rover gelandet ist, hat sich das MOXIE-Instrument während des Marsjahres sieben Mal eingeschaltet, jedes Mal brauchte es ein paar Stunden zum Aufwärmen und dann eine weitere Stunde, um Sauerstoff zu produzieren, bevor es sich wieder ausschaltete. Jedes Rennen wurde für verschiedene Tages- oder Nachtzeiten und für verschiedene Jahreszeiten angesetzt. Wie das Team berichtet, hat das System bisher gezeigt, dass es mit wechselnden Bedingungen problemlos zurechtkommt. Mit jedem Durchlauf erreichte das Instrument sein Ziel, sechs Gramm Sauerstoff pro Stunde zu produzieren, etwa so viel wie ein kleiner Baum auf der Erde. „Wir nutzen Ressourcen auf der Oberfläche eines anderen Planeten, indem wir sie chemisch in etwas umwandeln, das für eine menschliche Mission nützlich wäre“, sagt Hoffman. „Insofern ist der Erfolg historisch“, sagt der Wissenschaftler.
Konkret zeigt die zuverlässige Sauerstoffproduktion nun das Potenzial des Konzepts für bemannte Weltraummissionen zum Mars: „Wir haben viel gelernt, das uns bei künftigen größeren Systemen helfen wird“, sagt Co-Autor Michael Hecht vom MIT. Die Forscher stellen sich vor, dass eine erweiterte Version von MOXIE vor einer bemannten Mission zum Mars geschickt werden könnte, um kontinuierlich Sauerstoff in der Größenordnung von mehreren hundert Bäumen zu produzieren. Mit dieser Kapazität sollte das System genügend Sauerstoff produzieren, um die Menschen nach ihrer Ankunft zu ernähren und eine Rakete für die Rückkehr der Astronauten zur Erde zu betanken.
Die Tests des MOXIE-Instruments auf dem Perseverance-Rover werden nun fortgesetzt, sagen Wissenschaftler: Sie planen, die Kapazität zu erhöhen und die Leistung zu erhöhen, insbesondere im Marsfrühling, wenn die atmosphärische Dichte und der Kohlendioxidgehalt besonders hoch sind. „Also werden wir alles so hoch ansetzen, wie wir uns trauen, und es so lange laufen lassen, wie wir können“, sagt Hecht.
Welche: Massachusetts Institute of Technology, NASA, Fachartikel: Science Advances, doi: 10.1126/sciadv.abp8636
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