MOXIE-Experiment produziert zuverlässig Sauerstoff auf dem Mars

Auf der roten und staubigen Oberfläche des Mars, fast 100 Millionen Meilen von der Erde entfernt, beweist ein Instrument von der Größe einer Brotdose, dass es zuverlässig die Arbeit eines kleinen Baumes erledigen kann.

Das MIT-geführte Mars Oxygen In-Situ Resource Utilization Experiment, oder MOXIE, stellt seit Februar 2021, als es im Rahmen der NASA-Rover-Mission Perseverance auf der Marsoberfläche landete, erfolgreich Sauerstoff aus der kohlendioxidreichen Atmosphäre des Roten Planeten her .

In einer in der Zeitschrift veröffentlichten Studie Wissenschaftliche Fortschritte, Forscher berichten, dass MOXIE bis Ende 2021 in der Lage war, Sauerstoff in sieben Versuchsläufen unter verschiedenen atmosphärischen Bedingungen, einschließlich Tag und Nacht, und während verschiedener Jahreszeiten auf dem Mars zu produzieren. Bei jedem Durchlauf erreichte das Instrument sein Ziel, sechs Gramm Sauerstoff pro Stunde zu produzieren – etwa die Rate eines bescheidenen Baums 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.

Bisher ist MOXIEs stetiger Output ein vielversprechender erster Schritt in Richtung dieses Ziels.

„Wir haben enorm viel gelernt, das zukünftige Systeme in größerem Maßstab informieren wird“, sagt Michael Hecht, Hauptforscher der MOXIE-Mission am Haystack Observatory des MIT.

Die Sauerstoffproduktion von MOXIE auf dem Mars stellt auch die erste Demonstration der „In-situ-Ressourcennutzung“ dar, bei der es sich um die Idee handelt, die Materialien eines Planeten (in diesem Fall Kohlendioxid auf dem Mars) zu ernten und zu verwenden, um Ressourcen (wie Sauerstoff) herzustellen andernfalls müssen sie von der Erde transportiert werden.

„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“, sagt Jeffrey Hoffman, stellvertretender Hauptforscher von MOXIE, Professor für Praxis an der MIT-Abteilung der Luft- und Raumfahrt. „In diesem Sinne ist es historisch.“

Zu den MIT-Koautoren von Hoffman und Hecht gehören die MOXIE-Teammitglieder Jason SooHoo, Andrew Liu, Eric Hinterman, Maya Nasr, Shravan Hariharan und Kyle Horn sowie Mitarbeiter mehrerer Institutionen, darunter das Jet Propulsion Laboratory der NASA, das die Entwicklung von MOXIE, Flugsoftware, Verpackung und Tests vor der Markteinführung.

Saisonale Luft

Die aktuelle Version von MOXIE ist klein konzipiert, um an Bord des Perseverance-Rover zu passen, und für kurze Zeiträume ausgelegt, wobei sie bei jedem Lauf gestartet und heruntergefahren wird, abhängig vom Erkundungszeitplan und den Missionsaufgaben des Rovers. Im Gegensatz dazu würde eine vollwertige Sauerstofffabrik größere Einheiten umfassen, die idealerweise kontinuierlich laufen würden.

Trotz der notwendigen Kompromisse im aktuellen Design von MOXIE 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 im Februar 2021 haben die MOXIE-Ingenieure das Instrument im Laufe des Marsjahres sieben Mal gestartet, wobei jedes Mal einige Stunden zum Aufwärmen und dann eine weitere Stunde zum Erzeugen von Sauerstoff benötigt wurden, 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“, bemerkt Hoffman. „Die Dichte der Luft kann im Laufe des Jahres um den Faktor zwei variieren, und die Temperatur kann um 100 Grad variieren. Ein Ziel ist es zu zeigen, dass wir zu 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“, sagt Hecht. „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.“

Vor dem Spiel

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

„Der nächste anstehende Lauf wird während der höchsten Dichte des Jahres stattfinden, und wir wollen einfach so viel Sauerstoff wie möglich produzieren“, sagt Hecht. „Also werden wir alles so hoch ansetzen, wie wir uns trauen, und es so lange laufen lassen, wie wir können.“

Sie überwachen das System auch auf Verschleißerscheinungen. Da MOXIE nur ein Experiment unter mehreren an Bord des Perseverance-Rover ist, kann es nicht kontinuierlich laufen, wie es ein vollwertiges System tun würde. Stattdessen muss das Gerät bei jedem Lauf ein- und ausgeschaltet werden – eine thermische Belastung, die das System 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.

„Um eine bemannte Mission zum Mars zu unterstützen, müssen wir eine Menge Dinge von der Erde mitbringen, wie Computer, Raumanzüge und Lebensräume“, sagt Hoffman. „Aber dummer alter Sauerstoff? Wenn du es dorthin schaffst, tu es – du bist dem Spiel weit voraus.“