Der Mars ist die nächste Grenze der bemannten Weltraumforschung. Die NASA, China und SpaceX planen, in den kommenden Jahrzehnten bemannte Missionen dorthin zu schicken. Die Pläne bestehen in jedem Fall darin, an der Oberfläche Lebensräume zu schaffen, die Rückführungsmissionen, Spitzenforschung und vielleicht eines Tages sogar dauerhafte Siedlungen ermöglichen. Auch wenn die Idee, Marsboden zu betreten, spannend ist, müssen eine Reihe von Herausforderungen rechtzeitig bewältigt werden. Nicht zuletzt besteht die Notwendigkeit, Wasserquellen zu lokalisieren, die größtenteils aus unterirdischen Ablagerungen von Wassereis bestehen.
Hierin liegt eine weitere große Herausforderung: Die Eisablagerungen auf dem Mars sind mit giftigen Perchloraten verunreinigt, starken Oxidationsmitteln, die Korrosion an Geräten verursachen und (selbst in geringen Konzentrationen) eine Gefahr für die menschliche Gesundheit darstellen. Zu diesem Zweck müssen bemannte Missionen spezielle Ausrüstung mitbringen, um Perchlorate aus dem Wasser auf dem Mars zu entfernen, wenn sie es zum Trinken, zur Bewässerung und zur Herstellung von Treibstoff verwenden wollen. Dies ist der Zweck von Entgiftender Marsein vorgeschlagenes Konzept, das vom NASA Innovative Advanced Concepts (NIAC)-Programm für die Phase-I-Entwicklung ausgewählt wurde.
Die Hauptentwicklerin dieses Konzepts ist Lynn Rothschild, leitende Forschungswissenschaftlerin am Ames Research Center (ARC) der NASA und Forschungs- und Technologieleiterin für das Science and Technology Mission Directorate (STMD) im NASA-Hauptquartier. Wie sie und ihre Kollegen in ihrem Vorschlag feststellten, „zeigt das Ausmaß des erwarteten Wasserbedarfs auf dem Mars die Mängel traditioneller Wasseraufbereitungsansätze, die entweder große Mengen an Verbrauchsmaterialien, einen hohen Stromverbrauch oder eine Wasservoraufbereitung erfordern.“
Perchlorate (ClO4-) sind chemische Verbindungen, die das Perchloration enthalten, das entsteht, wenn Chlorverbindungen oxidiert werden. Perchloratsalze sind kinetisch stabil, sehr löslich, haben eine niedrige eutektische Temperatur (die niedrigste mögliche Temperatur, die sie vor dem Gefrieren erreichen können) und werden bei hohen Temperaturen sehr reaktiv. Chloratsalze (ClO3-) sind ähnlich, allerdings sind sie weniger kinetisch stabil als Perchlorate. Perchlorate wurden erstmals auf dem Mars vom Instrument Wet Chemistry Laboratory (WCL) der Phoenix-Mission entdeckt, die im Mai 2008 in der nördlichen Region Vastitas Borealis landete.
Bei Konzentrationen von etwa 0,5 % in diesen nördlichen Flachlandböden wurde den Wissenschaftlern klar, warum frühere Versuche, organische Moleküle im Marsboden zu finden, gescheitert waren. Kurz gesagt, das Perchlorat verhinderte, dass Massenspektrometer auf der Phoenix und den berühmten Landegeräten Viking 1 und 2 (die zwischen 1976 und 1980 den Mars erkundeten) irgendetwas entdeckten. Diese Entdeckung führte zu einem erneuten Interesse an der Suche nach organischen und astrobiologischen Studien auf dem Mars und führte zu den Rovern Curiosity und Perseverance. Seitdem wurden Perchlorat- (und wahrscheinlich auch Chlorat-)Konzentrationen bei mehreren Missionen sowohl von der Oberfläche als auch vom Orbit aus nachgewiesen.
Hier auf der Erde werden Perchlorate auf natürliche Weise durch Bakterien reduziert, die in hypersalinen Böden vorkommen, die zur Wasserdekontamination eingesetzt werden können. Leider sind dieselben Bakterien für den Einsatz außerhalb des Planeten ungeeignet, da sie sich nicht in der Raumfahrt bewährt haben. Stattdessen stellen sich Rothschild und ihr Team einen Bioreaktor vor, der die synthetische Biologie nutzt, um diesen natürlichen Perchlorat-Reduktionsprozess zu nutzen (und zu verbessern). Konkret basiert ihre Methode auf zwei Schlüsselgenen, die in erdbasierten Perchlorat-reduzierenden Bakterien (pcrAB und cld) vorkommen.
Diese Gene werden dann in den raumfahrterprobten Bakterienstamm Bacillus subtilis 168 eingebaut, der auf natürliche Weise Chlorat (ClO-3) und Perchlorat (ClO4-) in Chlorid (Cl-) und Sauerstoffgas (O2) umwandelt. Das Sauerstoffgas wäre sofort in Marslebensräumen verwendbar oder würde in Tanks für außerfahrzeugliche Aktivitäten (EVAs) gespeichert, während das Chlorid für verschiedene Zwecke, einschließlich der Ernährung, verwendet werden könnte. Der Prozess ist äußerst nachhaltig, skalierbar und macht (im Gegensatz zu herkömmlichen Filtersystemen) die Notwendigkeit überflüssig, die Perchlorat- und Chloratabfälle an anderer Stelle zu entsorgen.
Nachdem die Finanzierung der Phase I gesichert ist, planen Rothschild und ihre Kollegen, die Machbarkeit der Entsendung eines Bioreaktors zum Mars zu testen. Der erste Schritt besteht darin, die Gene PcrAB und cld in Stämme von B. subtilis 168 zu manipulieren und ihre perchloratreduzierenden Fähigkeiten zu testen. Sie planen außerdem die Durchführung einer Handelsstudie, um die Leistung ihres Prozesses mit herkömmlichen technischen Ansätzen zu vergleichen, insbesondere im Hinblick auf Masse, Leistung und Zeit, die zum Abschluss des Prozesses benötigt werden. Der letzte Schritt besteht darin, dass Rothschild und ihr Team einen Plan erstellen, um die Technologie in die Architektur einer bemannten Mission zum Mars zu integrieren.
„Das System wird als inerte, getrocknete Sporen eingeführt, die bei Raumtemperatur jahrelang stabil sind“, heißt es. „Bei der Ankunft auf dem Mars werden die Sporen rehydriert und in einem Bioreaktor gezüchtet, der den Schutzstandards des Planeten entspricht. Marswasser wird vom Bioreaktor aufbereitet, um eine Perchloratreduzierung zu erreichen. Aufbereitetes Wasser kann dann je nach Bedarf verwendet oder weiter gereinigt werden.“
Wie sie in ihrem Vorschlag auch andeuten, wird die Technologie Auswirkungen auf Wasserdekontaminationssysteme und die Wiederherstellung der Umwelt hier auf der Erde haben:
„Die Entwicklung unserer Entgiftungsbiotechnologie wird auch zu effizienteren Lösungen für die natürliche und insbesondere industrielle terrestrische Perchloratkontamination auf der Erde führen. Sie wird auch das Potenzial der Nutzung von Leben statt nur industrieller Lösungen zur Bewältigung unserer Umweltprobleme ins Rampenlicht rücken, was zu weiteren Problemen führen könnte weitere Innovationen für andere terrestrische Umweltherausforderungen wie den Klimawandel.“