Einfach so produzieren wir Sauerstoff auf dem Mars

Ein kleines Experiment auf einem NASA-Rover bastelt an der außerirdischen Atmosphäre.

Millionen Meilen entfernt auf dem Mars, in einem kargen Krater nördlich des Äquators, wandert ein Rover umher, mit einem goldbeschichteten Gerät in der Größe eines Toasters. Die Maschine atmet die Marsluft ein und entfernt Schadstoffe. Es spaltet das atmosphärische Gas in seine Bestandteile auf, nimmt, was es braucht, und setzt diese Mischung dann wieder zusammen, um etwas zu erzeugen, das auf dem Mars sehr knapp ist: Sauerstoff. Echter, atembarer Sauerstoff, wie Sie ihn beim Lesen dieser Sätze aufgenommen haben.

Nach einer kurzen Analyse bläst die Maschine den Sauerstoff aus und setzt die Moleküle harmlos in die Marsumgebung frei. Dadurch kommt dieser hochentwickelte Toaster, der sich im Bauch des NASA-Rover Perseverance befindet, einem kleinen Baum auf dem Mars am nächsten.

Und laut den Forschern hinter der kleinen Maschine ist es ein ziemlich guter Baum. Jedes Mal, wenn sie es durchgeführt haben, ist es dem Mars Oxygen In-Situ Resource Utilization Experiment – ​​kurz MOXIE – gelungen, Marsluft, die fast ausschließlich aus Kohlendioxid besteht, in Sauerstoffgas umzuwandeln. „Wir sind nicht mehr weit davon entfernt, Sauerstoff in der Geschwindigkeit zu produzieren, die ein Mensch ernähren würde“, sagte mir Michael Hecht, ein Planetenforscher am Haystack Observatory des MIT, der das Projekt leitet. „Ein kleiner Hund wäre bei der Rate, die wir produzieren, völlig in Ordnung.“

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MOXIE ist ein cleveres Chemieexperiment. Es ist auch ein bemerkenswertes Ereignis in der Geschichte der Weltraumforschung. Wenn Menschen auf dem Mars ein dauerhaftes Zuhause bauen wollen, müssen sie die natürlichen Ressourcen des Planeten nutzen, anstatt alles, was sie brauchen, den ganzen Weg von der Erde zu schleppen. „Wir müssen in der Lage sein, vom Land zu leben“, sagte mir Jennifer Heldmann, eine NASA-Wissenschaftlerin, die auf diesem zukunftsweisenden Gebiet – der sogenannten In-situ-Ressourcennutzung – arbeitet. „Dies ist das erste Mal, dass wir die Technologie dafür testen und demonstrieren konnten.“

Und Sauerstoff ist wunderbar vielseitig. Es würde nicht nur Menschen auf einem Planeten ernähren, für den ihre Lungen nicht ausgelegt sind, sondern es könnte auch mit anderen Verbindungen kombiniert werden, um Raketentreibstoff herzustellen, damit sie zur Erde zurückkehren könnten. Auf dem Mars sind wir die Außerirdischen. Wir müssten alle möglichen Dinge erfinden, um zukünftigen Astronauten eine Chance zu geben, dort zu überleben, geschweige denn bequem zu leben. Es ist fast schon Science-Fiction-artig, darüber nachzudenken, aber indem wir an der Marsatmosphäre herumgebastelt haben, ist es uns – wie auch der Menschheit – gelungen, zumindest einen Teil dieses Unterfangens herauszufinden.

Das MOXIE-Experiment begann im Februar letzten Jahres, nachdem Perseverance gelandet war und mit der Arbeit an seiner Hauptaufgabe begonnen hatte: dem Sammeln von Gesteinsproben, die winzige Abdrücke längst verstorbenen Lebens auf dem Mars enthalten könnten. MOXIE hatte dafür einiges vor sich. Die Marsatmosphäre ist so dünn, dass sie im Vergleich zu unserer Atmosphäre fast ein Vakuum ist. „Ich sage gerne, dass wir Sauerstoff aus der Luft herstellen“, sagte Hecht. „Wenn Sie ein Marsianer wären, würden Sie denken, dass wir auf der Erde Fische sind, die in einer dicken Atmosphärensuppe herumschwimmen.“

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Der Mars erfährt auch weitaus dramatischere Veränderungen seiner atmosphärischen Bedingungen. Die Tages- und Nachttemperaturen können um etwa 212 Grad Fahrenheit (100 Grad Celsius) variieren. Auch die Luft verändert sich, wird an warmen Tagen dünner und in kalten Nächten dichter. Schwankungen des Luftdrucks treten auch saisonal auf. Während der Marswinter kondensiert ein Teil der Atmosphäre zu Frost und setzt sich über den Polen ab, wodurch der Luftdruck auf dem Rest des Planeten verringert wird. Während der Marssommer steigt der Luftdruck. Alle diese Faktoren beeinflussen die Menge an Kohlendioxid in der Atmosphäre – dem Hauptsnack von MOXIE.

Um zu sehen, wie sich MOXIE schlagen würde, schalteten die Ingenieure das Instrument zu verschiedenen Tages- und Jahreszeiten ein. Sie fanden heraus, dass „die schwierigste Zeit, Kohlendioxid zu sammeln, mitten am Tag, mitten im Winter, ist, wenn es sowohl warm als auch der Druck niedrig ist“, sagte Hecht. „Und die einfachste Zeit ist mitten in der Nacht im Hochsommer, wenn der Druck hoch und die Temperatur niedrig ist.“ Aber bei jedem Lauf arbeitete die Maschine und verbrachte eine Stunde damit, Sauerstoff zu produzieren.

Das Team muss MOXIE jedoch noch im Morgen- oder Abendlicht einsetzen, wenn „sich die Dichte der Luft ändert und die Temperatur sich schnell ändert“, sagte Hecht. Ingenieure befürchten, dass die plötzliche Veränderung der Anwesenheit von Kohlendioxid das Instrument beim Ansaugen des Gases beschädigen könnte. Hecht sagt, dass sie zunächst einige Tests mit einer Laborversion von MOXIE auf der Erde durchführen werden, sind aber zuversichtlich, dass dies gelingt Auch unter diesen Bedingungen funktioniert die kleine Brotdose.

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Andere Wissenschaftlergruppen denken darüber nach, wie man Sauerstofffabriken für zukünftige Marsmissionen bauen kann; Ein Team hat kürzlich eine Methode entwickelt, um mithilfe von Plasma Sauerstoff aus Kohlendioxid zu erzeugen. Und andere Forscher denken intensiv darüber nach, wie zusätzliche Ressourcen auf dem Mars genutzt werden könnten, etwa die Eisvorkommen knapp unter der Planetenoberfläche. Zukünftige Astronauten könnten das gefrorene Wasser abbauen und für den täglichen Gebrauch aufbereiten. Sie könnten auch die Wasserstoffmoleküle des Wassers stehlen und sie für die Heimreise einsetzen. „Man kann Methan herstellen, einen Raketentreibstoff“, sagte mir Julie Kleinhenz, eine NASA-Forschungsingenieurin, die die Ressourcennutzung vor Ort untersucht und nicht am MOXIE-Projekt beteiligt ist. „Man könnte ein Aufstiegsfahrzeug vollständig mit Methan und Sauerstoff betanken, indem man einfach die Ressourcen auf dem Mars nutzt, und zwar durch Prozesse, die ziemlich gut verstanden sind.“ Einige grundlegende Gegenstände wie Raumanzüge und Toiletten müssen von hier herübergebracht werden. Aber wenn Sie etwas auf dem Mars herstellen können, können Sie das schwere Gepäck reduzieren, das den Start von der Erde erschwert.

Das Team hinter MOXIE stellt sich eine Zukunft vor, in der eine vergrößerte Version, die in der Lage ist, die Arbeit von Hunderten von Bäumen zu erledigen, rund um die Uhr auf der Marsoberfläche summt. Die Fabrik würde vor einer bemannten Mission in Betrieb genommen, so dass bei der Ankunft der Astronauten genügend Sauerstoffreserven vorhanden wären. Diese Zukunft ist noch viele Jahre entfernt; Die NASA sagt, dass Astronauten frühestens Anfang der 2040er Jahre auf dem Roten Planeten landen könnten. Elon Musk möchte mit SpaceX viel früher vorankommen, aber selbst der Weltraummilliardär wird mit denselben Einschränkungen konfrontiert sein, die eine Marsreise schwierig machen würden (Finanzierung, Physik, die kosmische Strahlung zwischen hier und dort). Ein MOXIE in Megagröße wäre nur ein Punkt auf einer sehr langen Packliste. Aber MOXIE hat eine gewisse Konkretheit, die auch jetzt noch spannend ist. Es ist die Art von Detail, die eine menschliche Basis auf dem Mars ein kleines bisschen realistischer erscheinen lässt. Stellen Sie sich vor, in Jahrzehnten sitzt eine Ingenieurin an einer Konsole, atmet Luft aus einer außerirdischen Atmosphäre ein und sagt zu einem ihrer Mitarbeiter: „Hey, Steve, wir erhalten einige seltsame MOXIE-Messwerte – können Sie das mal überprüfen?“