Fast 55 Millionen Kilometer von der Erde entfernt, auf der roten und staubigen Oberfläche des Mars, beweist ein Instrument von der Größe einer Mikrowelle, dass es zuverlässig die Arbeit eines kleinen Baumes erledigen kann.
Ein Experiment zur Nutzung von Sauerstoffressourcen vor Ort (The MIT-led Mars Oxygen In-Situ Resource Utilization Experiment) oder MOXIE, durchgeführt vom MIT und der NASA, produziert seit April 2021 erfolgreich Sauerstoff aus der kohlendioxidreichen Atmosphäre des Roten Planeten. Dies geschieht etwa zwei Monate nach der Landung auf der Marsoberfläche im Rahmen der NASA-Missionen Perseverance und Mars 2020.
In einer gestern in der Fachzeitschrift Science Advan veröffentlichten Studieces, berichten die Forscher, dass MOXIE bis Ende 2021 in sieben Versuchsläufen Sauerstoff produzieren konnte. Sie wurden unter verschiedenen atmosphärischen Bedingungen durchgeführt, darunter Tag und Nacht, sowie zu verschiedenen Marsjahreszeiten. Bei jedem Versuchsdurchlauf erreichte das Gerät sein Ziel, 6 g Sauerstoff pro Stunde zu produzieren. Dies entspricht ungefähr der Geschwindigkeit eines kleinen Baumes auf der Erde.
Wissenschaftler schlagen vor, dass eine vergrößerte Version von MOXIE vor einer bemannten Mission zum Mars geschickt werden könnte, wo es kontinuierlich Sauerstoff in einer Menge von mehreren hundert Bäumen produzieren könnte. Bei dieser Leistung müsste das System genug Sauerstoff produzieren, um die Menschen bei ihrer Ankunft zu versorgen, und die Rakete betanken, um die Astronauten zurück zur Erde zu bringen. Die kontinuierliche Produktion von MOXIE ist noch ein vielversprechender erster Schritt in Richtung dieses Ziels.
"Wir haben eine enorme Menge an Informationen gewonnen, die zukünftige Systeme in größerem Maßstab informieren werden", sagt Michael Hecht, Hauptforscher der MOXIE-Mission am Haystack Observatory des MIT.
Die Sauerstoffproduktion von MOXIE auf dem Mars ist auch die erste Demonstration der "Ressourcennutzung vor Ort". Es ist die Idee, die Rohstoffe eines Planeten (in diesem Fall Kohlendioxid auf dem Mars) zu ernten und zu verwenden, um Ressourcen (wie Sauerstoff) zu produzieren, die sonst von der Erde transportiert werden müssten.
„Dies ist die erste Demonstration, wie tatsächlich Ressourcen auf der Oberfläche eines anderen Planetenkörpers genommen und chemisch in etwas umgewandelt werden, das für eine menschliche Mission nützlich wäre“, sagt Jeffrey Hoffman, stellvertretender Hauptforscher von MOXIE.
Die aktuelle Version von MOXIE ist klein genug, um an Bord des Perseverance-Rover zu passen. Es wurde für kurze Betriebszeiten gebaut und schaltet sich bei jedem Start ein und aus, je nach Erkundungszeitplan und Missionsaufgaben des Rovers. Im Gegensatz dazu würde eine vollwertige Sauerstoffanlage für den Mars größere Einheiten umfassen, die idealerweise kontinuierlich betrieben würden.
Trotz der notwendigen Einschränkungen des aktuellen Designs von MOXIE hat das Gerät gezeigt, dass es die Marsatmosphäre effizient und zuverlässig in reinen Sauerstoff umwandeln kann. Dazu wird zunächst Marsluft durch einen Filter eingeatmet, der sie von Schadstoffen reinigt. Die Luft wird dann unter Druck gesetzt und durch einen Festoxidelektrolyseur (SOXE) geleitet. Dieses von OxEon Energy entwickelte und hergestellte Gerät spaltet kohlendioxidreiche Luft elektrochemisch in Sauerstoffionen und Kohlenmonoxid.
Sauerstoffionen werden dann freigesetzt und rekombinieren, um atembaren molekularen Sauerstoff zu bilden. MOXIE misst dann die Menge und Reinheit dieses Ausstoßes, bevor es zusammen mit Kohlenmonoxid und anderen atmosphärischen Gasen wieder in die Luft abgegeben wird.
Seit der Rover im Februar 2021 gelandet ist, haben MOXIE-Ingenieure das Instrument während des Marsjahres sieben Mal gestartet. Jedes Mal dauert es ein paar Stunden zum Aufwärmen, dann eine weitere Stunde, um Sauerstoff zu erzeugen, bevor es wieder ausgeschaltet wird. Jeder Start war zu einer anderen Tages- oder Nachtzeit und zu einer anderen Jahreszeit geplant, um zu testen, ob sich MOXIE an die sich ändernden atmosphärischen Bedingungen auf dem Planeten anpassen kann.
„Die Atmosphäre des Mars ist viel variabler als die der Erde“, bemerkt Hoffman. „Die Dichte der Luft kann sich im Laufe des Jahres verdoppeln, und die Temperatur kann sich um 100° ändern. Eines der Ziele ist zu zeigen, dass es zu jeder Jahreszeit funktionieren kann."
Bisher hat MOXIE gezeigt, dass es zu fast jeder Tages- und Jahreszeit auf dem Mars Sauerstoff produzieren kann.
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